KR20190108307A - 관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 관성 항법 정보 연산부의 가변 항법 연산 및 항법 정보 제공 기술에 관한 것으로, 가변 항법 정보의 전파 송수신 주기를 결정하고, 상기 전파 송수신 주기를 결정하기 위한 타이밍 신호를 RF 송수신부로 전달하여 상기 결정되는 전파 송수신 주기로 RF 안테나를 통해 전파가 방사되도록 하는 가변 타이밍 스케줄링부; 상기 타이밍 신호와 상기 RF 안테나의 전파 방사 시간 간의 지연시간을 계산하고, 상기 지연시간을 기초로 상기 가변 항법 정보의 연산 주기를 결정하는 타이밍 제어부; 상기 연산 주기를 기초로 생성되는 하트비트 신호와 동기화되어 주기적으로 상기 가변 항법 정보의 연산을 수행하는 관성 항법 정보 연산부; 및 상기 가변 항법 정보의 연산 결과를 기초로 동기화된 영상을 처리하는 영상 처리부를 포함할 수 있다.

Description

관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 장치 및 그 방법 {METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING NAVIGATION DATA IN INERTIAL NAVIGATION SYSTEM}
본 발명은 관성 항법 시스템(Inertial Navigation System)의 항법 정보 제공 기술에 관한 것으로, 특히 SAR(Synthetic Array Radar, 합성 개구면 레이더) 영상과 같은 가변 전파 송수신 주기 또는 가변 연산 주기를 갖는 장치와 관성 항법 시스템(관성 측정기)의 항법정보 계산 및 항법정보 제공주기를 일치시켜 SAR의 영상 정밀도를 향상시키는데 적합한 기술에 관한 것이다.
관성 항법 시스템과 레이더는 오랜 항행 필수장비로써, 기술의 복잡도 및 난이도가 상당히 높아 각각 독립적인 영역에서 발전해 왔다.
SAR은 전파신호를 이용하여 영상을 합성하는 장치로써 스케줄링된 시간 간격에 따라 전파를 송신하고 반사되어 온 수신 신호를 일정시간 동안 취합하여 영상을 구성한다. 안테나를 통한 전파 송신 간격은 시간 스케줄링에 따라 변하며 일반적으로 수 백 Hz에서 수 킬로 Hz 사이에서 가변적이다.
관성 항법 시스템은 관성 센서(가속도계, 자이로스코프 등)를 사용하여 고정된 계산 주기로 플랫폼의 위치, 속도, 자세 등을 실시간으로 연산하는 장치이다.
SAR의 영상을 합성하기 위해 전파 송수신시의 안테나 자세 값을 정확히 보상해 주어야 하며, 이를 위해 별도의 관성 항법 시스템으로부터 실시간으로 자세 정보를 입력 받거나 SAR 안테나에 관성 측정 장치를 부착하여 항법 시스템보다 고속의 자세 정보를 취득하기도 한다.
현재까지 적용 되어온 이 구조는 안테나 전파 송신 시점과 관성 항법 시스템 혹은 관성 측정 장치로부터 전송되어온 자세 값의 시점이 일치하지 않아서 내삽법(interpolation) 등으로 자세 정보를 보정해서 사용하는 등의 여러 가지 기법들이 적용되어 왔다.
시각 동기 불일치(시점 불일치)를 해결하기 위해 보정 기법 들을 사용하더라도 독립적인 연산주기에 따라 동작하는 SAR과 관성 항법 시스템(관성 측정기)의 시각 동기(시점 일치)는 구조적으로 불가능하며, 관성 항법 시스템(관성 측정기)의 연산 주기나 통신주기 보다 빠르게 발생하는 고주파 자세 요동에 관해서는 보상 방법이 없어 시각 동기 불일치에 의한 자세 오차와 계산 주기간 발생하는 고주파 자세 오차는 SAR의 영상 오차를 유발한다.
SAR 영상오차를 유발하는 또 다른 요소는 가변적인 SAR 전파 송신 주기에 기인한다. SAR은 최적의 영상정보 획득을 위하여 지속적으로 전파 송신 주기를 가변 한다. 따라서, 주기적으로 항법 정보를 연산하는 관성 항법 시스템(관성 측정기)와의 시각 동기 불일치가 발생하여 영상 오차를 유발한다.
한국등록특허 제10-1468548호 (2014.11.27 등록)
본 발명의 실시예에서는, 가변 전파 송수신 주기(또는 가변 연산 주기)를 갖는 레이더, 예를 들어 SAR의 영상 정밀도 향상을 위해 SAR과 관성 항법 시스템의 일체화된 설계를 구현하고, SAR의 펄스 신호 송수신 주기와 동기화되어 관성 항법 시스템(관성 측정기)의 위치, 속도, 자세 등의 항법정보의 연산 주기를 가변 하여 계산하는 기술 및 항법 정보 제공 기술을 제안하고자 한다.
본 발명의 실시에에서는, SAR과 관성 항법 시스템을 일체화 설계하여 근본적인 시각 동기 불일치 및 고주파 자세 미보정 문제를 해결하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 실시간으로 가변 항법 주기 및 전파 송수신 주기를 결정하기 위한 타이밍 신호를 RF 송수신부 및 타이밍 제어부로 전달하여 상기 타이밍 신호에 따라 결정되는 전파 송수신 주기로 RF 안테나를 통해 전파가 방사되도록 하는 가변 타이밍 스케줄링부; 상기 타이밍 신호와 상기 RF 안테나의 전파 방사 시간 간의 지연시간을 계산하고, 상기 지연시간을 반영하여 상기 가변 항법 정보의 연산 주기를 결정하는 타이밍 제어부; 상기 연산 주기를 기초로 생성되는 하트비트와 동기화되어 상기 가변 항법 정보의 연산을 수행하는 관성 항법 정보 연산부; 및 상기 가변 항법 정보를 기초로 SAR의 영상을 처리하는 영상 처리부를 포함하는 SAR 일체형 관성 정보 제공 장치를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 관성 항법 정보 연산부는 관성 항법 시스템 혹은 관성 측정기 혹은 관성 항법 연산이 가능한 모든 종류의 신호 처리부를 포함하고, 상기 영상 처리부는 상기 SAR을 포함할 수 있다. 두 연산부는 하나의 시스템으로 구현되거나 독립적으로 구현될 수 있다.
여기서, 상기 타이밍 제어부는, 상기 전파가 방사될 때 상기 가변 타이밍 스케줄링부, 상기 RF 송수신부 및 상기 RF 안테나의 전송 시작 신호를 동기화하여 시간지연을 계산하는 시간 지연 제어부부; 및 상기 가변 타이밍 스케줄링부로부터 제공받은 가변 연산 주기와 상기 시간지연 제어부에서 계산된 시간지연 값을 기초로 가변항법 수행을 위한 가변 타이밍 클럭을 생성하여 상기 관성 항법 정보 연산부와 상기 영상 처리부로 전송하는 가변 항법 수행 시간 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 시간 지연 제어부는, 상기 가변 타이밍 스케줄링부로부터 제1 전송 시작 신호가 입력될 때까지 시간 지연 동작을 반복하고, 상기 제1 전송 시작 신호가 입력되면 상기 RF 송수신부로부터 제2 전송 시작 신호가 입력될 때까지 상기 시간 지연 동작을 반복하며, 상기 RF 송수신부로부터 제3 전송 시작 신호가 입력되면 상기 RF 안테나로 제3 전송 시작 신호가 입력될 때까지 상기 시간 지연 동작을 반복하다가 상기 제3 전송 시작 신호가 입력되면 상기 지연시간을 계산하고, 상기 가변 항법 수행시간 제어부에서는 상기 지연시간을 기초로 상기 가변 타이밍 클럭을 생성하여 상기 관성 항법 정보 연산부 및 상기 영상 처리부로 제공할 수 있다.
또한, 상기 타이밍 제어부는, 상기 가변 타이밍 스케줄링부로부터 출력된 동기화 유효 신호가 유효하면 상기 가변 타이밍 스케줄링부의 타이밍 클럭을 출력할 수 있다.
또한, 상기 타이밍 클럭은 상기 하트비트와 동기화될 수 있다.
또한, 상기 시간 지연 제어부에서 출력된 가변 타이밍 클럭은 상기 동기화 유효신호가 유효할 경우 관성 항법 정보 연산부에서 하트비트로 사용되고, 유효하지 않을 경우 유효하지 않은 상태로 천이하는 하강 에지(Falling Edge)에 동기화되어 상기 관성 항법 정보 연산부의 내부 타이밍 클럭을 초기화하고, 상기 내부 클럭이 상기 하트비트로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 영상 획득을 위한 가변 전파 송수신 주기를 스케줄링하여 RF 송수신부로 전달하여 상기 가변 전파 송수신 주기로 RF 안테나를 통해 전파가 방사되도록 하고 상기 가변 전파 송수신 주기를 타이밍 신호로 제공하는 단계; 상기 타이밍 신호와 상기 RF 안테나의 전파 방사 시간 간의 지연시간을 계산하고, 상기 지연시간을 기초로 상기 가변 항법 정보의 가변 연산 주기를 결정하는 단계; 상기 가변 연산 주기를 기초로 생성되는 하트비트와 동기화되어 주기적으로 상기 가변 항법 정보의 연산을 수행하는 단계; 및 상기 가변 항법 정보의 동기화된 연산 결과를 기초로 영상 처리가 가능토록 하는 관성 항법 정보 연산부의 항법 정보를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 방법은, 상기 관성 항법 정보 연산부의 하트비트에 동기화되어 가속도계로부터 취득된 가속도 값을 입력 받는 단계; 상기 관성 항법 정보 연산부에 기 저장된 교정값을 사용하여 오차 보정을 수행하는 단계; 회전량 오차를 보상하는 사이즈 이펙트(Size Effect) 및 가변 계산 주기에 위한 샘플링 개수를 사용하여 스컬링 보상을 수행하는 단계; 및 상기 스컬링 보상을 기초로 가변 연산 주기를 갖는 정렬 루프를 수행하거나 가변 시간 항법 방정식을 연산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 시각 동기 일치와 고주파 자세 요동 보상이 가능토록 SAR과 관성 항법 시스템의 일체화 설계 기술 및 이에 따른 관성 항법 시스템의 항법 해를 가변적으로 연산하는 기술을 제시하여 안테나 방사 시점과 관성 항법 시스템의 항법 연산 시간을 동기화 함으로써 SAR 영상 합성 정밀도를 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 SAR 일체형 관성 항법 장치에 대한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 항법 정보 제공 장치의 가변 시간 동기화를 예시적으로 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 도 2의 시간 지연 제어부(4100)와 가변 타이밍 클럭 생성 과정을 예시적으로 설명하는 흐름도이다.
도 4는 SAR과 관성 항법 정보 연산부 간의 시간 동기 및 하트비트 생성을 예시적으로 설명하는 파형도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 시변 항법정보 제공을 위한 관성 항법 정보 연산부를 예시적으로 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 항법 정보 제공 장치의 하트비트에 연동한 관성 센서 데이터를 취득하는 과정을 예시적으로 설명하는 파형도이다.
도 7은 도 5의 가변 연산주기에 따른 가속도계 오차 보상 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 8은 도 5의 가변 연산주기에 따른 속도 보상 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 9는 도 8의 스컬링 보상 과정에서 가변 연산 주기에 따른 가속도계 스컬링 기법 선택 과정을 예시적으로 설명하는 흐름도이다.
도 10은 도 9의 가변 샘플 시간으로 스컬링 보상하는 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 11은 가속도계 스컬링 보상을 위한 데이터 재정렬 과정을 예시적으로 설명하는 도면이다.
도 12는 도 5의 가변연산 주기에 따른 자이로스코프 오차 보상 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 13은 도 5의 가변연산 주기에 따른 코닝 모션 오차를 보상하는 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 14는 도 13의 코닝 모션 오차를 보상하는 기법을 선택하기 위한 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 15는 도 14의 가변 샘플 시간으로 코닝 모션 오차를 보상하는 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 16은 도 5의 가변 시간 정렬 과정(폐루프)를 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 17은 도 5의 가변 시간 정렬 과정(영속도 보정필터)을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 18은 도 5의 가변 시간에 따른 항법 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시예에서는 가변 전파 송수신 주기(또는 가변 연산 주기)를 갖는 레이더, 예를 들어 SAR의 영상 정밀도 향상을 위해 SAR과 관성 항법 정보 연산부의 일체화된 설계를 구현하고, SAR의 펄스 신호 송수신 주기와 동기화되어 항법 정보의 위치, 속도, 자세 등의 연산 주기를 가변시켜 SAR과 관성 항법 정보 연산부 간의 시각 동기 불일치 및 고주파 자세 미보정 문제를 해결하고자 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 관성 SAR에 항법 정보를 제공하기 위한 항법 시스템의 블록도이다.
도 1의 항법 정보 제공 장치는, 가변 타이밍 스케줄링부(Variable Timing Scheduling)[1000], RF 송수신부[2000], RF 안테나[3000], 타이밍 제어부[4000], 관성 항법 정보 연산부[5000] 및 영상 처리부[6000]를 포함한다.
먼저, 가변 타이밍 스케줄링부[1000]가 실시간으로 전파 송수신 주기(주파수)를 결정하여 타이밍 제어 신호를 발생하면, 가변 타이밍 스케줄링부[1000]에 의해 결정된 전파 송수신 주기는 RF 송수신부[2000]로 전송되고, RF 안테나부[3000]를 통해 RF 신호(전파)가 대기 중으로 방사될 수 있다. 이 과정에서 가변 타이밍 스케줄링부[1000]의 타이밍 제어 신호(방사 출력 신호)와 RF 안테나부[3000]의 RF 신호 방사 시간 사이에는 시간 지연이 발생할 수 있으며, SAR 자체의 영상 오차로 작용할 수 있다.
또한, 가변 타이밍 스케줄링부[1000]의 타이밍 제어 신호를 관성 항법 정보 연산부[5000]의 관성 센서 데이터의 취득 주기와 동기화를 수행하면, RF 안테나부[3000]의 RF 신호 방사까지 걸리는 시간지연을 고려하지 않고 항법 정보를 취득하게 되므로 두 신호 사이의 시각동기가 일치하지 않게 된다. 타이밍 제어부(Timing Control Unit)[4000]를 통해 이러한 시간 지연 요소를 보상할 수 있으며, 관성 항법 정보 연산부[5000]의 항법 연산 주기를 결정할 수 있다.
관성 항법 정보 연산부[5000]는 타이밍 제어부[4000]에서 SAR의 가변 전파 방사 명령에 동기화된 하트비트(heart beat)에 따라 관성 센서 데이터를 취득하여 항법 연산을 수행한다.
영상 처리부[6000]는 동기화된 관성 항법 정보 연산부[5000]의 항법 정보와 수신된 전파 신호를 이용하여 고주파 자세 요동이 보상된 영상을 제공할 수 있다.
기존의 항법장치는 고정된 연산 주기에 맞추어 항법 연산을 수행하여 위치, 속도, 자세 등을 결정하였나, 본 발명의 실시예에서는 모든 항법 연산이 SAR의 전파 방사 명령에 동기화되어 가변적으로 이루어진다. SAR의 가변 전파 방사 명령에 동기화되어 출력된 관성 항법 정보 연산부[5000]의 항법 정보 및 수신된 RF 신호는 SAR의 영상 처리부[6000]로 전송되어 영상 합성 및 보정에 사용된다.
가변 타이밍 스케줄링부[1000]로부터 출력된 전파 방사 시작 신호(Transmit Start Signal)는 RF 송수신부[2000] 및 RF 안테나부[3000]를 거치면서 시간 지연이 발생하여, 전파 방사 시작 신호 출력 시점에 비해 시간이 지연되어 RF 안테나부[3000]를 통해 RF 신호를 방사하게 된다.
도 2는 가변 연산 주기 및 시간 지연을 보상해서 가변 타이밍 클럭을 관성 항법 정보 연산부[5000]로 제공하는 장치의 구성도이다.
가변 타이밍 스케줄링부[1000]에서 출력된 전파 방사 시작 신호는 δt0시간만큼의 시간 지연 후에 RF 송수신부[2000]로 전송된다[2001]. 이 신호는 다시 RF 안테나부[3000]를 거치면서 δt1만큼의 시간 지연 후에 전파가 대기 중으로 방사된다[3001].
따라서, 가변 타이밍 스케줄링부[1000]로부터 전파 방사 시작 신호가 출력되어 RF 안테나부[3000]로부터 전파가 방사되기 까지는 다음 [수학식 1]과 같은 지연 시간이 존재할 수 있다.
Figure pat00001
타이밍 제어부[4000]는 가변 타이밍 스케줄링부[1000], RF 송수신부[2000] 및 RF 안테나부[3000]의 전송 시작 신호를 동기화 하여 RF 안테나부[3000]에서 신호를 송신하는데까지 걸리는 시간지연을 계산하는 시간 지연 제어부[4100]와, 가변 타이밍 스케줄링부[1000]로부터 가변 연산 주기를 전송 받아 관성 항법 정보 연산부[5000]로 가변 타이밍 클럭을 전송하는 가변 항법 수행 시간 제어부(Variable Navigation Execution Time Controller)[4500]로 구성되어 있다.
타이밍 제어부[4000]를 통하여 실제 파형의 방사 시점에 맞추어 관성 항법 정보 연산부[5000]의 관성 센서(도[6])로부터 데이터를 취득하며, 항법 방정식의 가변 연산을 위해 필요한 가변 타이밍 클럭은 가변 항법 수행 시간 제어부[4500]를 통하여 관성 항법 정보 연산부[5000]로 전송된다.
가변 항법 수행 시간 제어부[4500]의 가변 연산 주기 기준 값은 가변 타이밍 스케줄링부[1000]로부터 전송되며, 가변 타이밍 스케줄링부[1000], RF 송수신부[2000], RF 안테나부[3000]에서 지연된 시간성분이 타이밍 제어부[4000]로 취합되어 최종 가변항법 수행시간을 결정한다.
도 2의 시간 지연 제어부(4100)의 시간 지연 연산과 가변 항법 수행 시간 제어부[4500]의 가변 타이밍 클럭 생성 과정은 도 3에 기술되어 있다.
시간 지연 제어 기능이 시작되면[4111], 가변 타이밍 스케줄링부[1000]로부터 전송 시작 신호가 입력될 때까지 반복하다가[4112], 전송 시작 신호가 입력되면 RF 송수신부[2000]로부터 전송 시작 신호가 입력될 때까지 반복할 수 있다[4113].
RF 송수신부[2000]로부터 전송 시작 신호가 입력되면 RF 안테나부[3000]로부터 전송 시작 신호가 입력될 때까지 반복하다가[4114], 전송 시작 신호가 입력되면 지연 시간을 연산[4115]하여 관성 항법 정보 연산부[5000]와 영상 처리부[6000]로 출력하고 가변 타이밍 클럭을 생성한다[4501].
SAR과 관성 항법 정보 연산부[5000] 간의 시간 동기 기술은 도 4에 예시한 바와 같다.
항공기에서는 SAR을 상시 운용하거나 필요에 의해 운용할 수 있으며, 관성 항법 정보 연산부[5000]와 동기화를 수행하기 위해서는 가변 타이밍 스케줄링부[1000]로부터 출력된 동기화 유효 신호(Synchronization Valid Signal)[1002]가 유효한지를 판단하고, 유효한 경우에 가변 타이밍 스케줄링부[1000]로부터 가변 타이밍 클럭[4501]이 출력될 수 있다. 이 신호[4501]는 관성 항법 시스템의 하트비트[5002]로 사용되며, 하트비트[5002]에 동기화되어 관성 센서인 자이로스코프와 가속도계로부터 데이터를 취득할 수 있다.
관성 항법 시스템은 주기적인 내부 클럭[5001]을 보유하고 있으며, 가변 타이밍 스케줄러 동기화 유효 신호[1002]가 유효한 경우에는 관성 항법 정보 연산부[5000]는 SAR 가변 타이밍 클럭[4501]에 동기화되어 항법 연산을 수행하며, 가변 타이밍 스케줄러 동기화 유효 신호[1002]가 유효하지 않을 경우, 비유효 상태로 천이하는 하강 에지(Falling Edge)에 동기화되어 내부 클럭을 초기화하여 내부 클럭[5001]을 하트비트[5002]로 사용할 수 있다.
SAR의 전파방사 신호와 동기화된 항법 연산 주기를 갖는 관성 항법 정보 연산부[5000]의 항법 정보 연산 방법은 도 5에 예시한 바와 같다.
도 5에 도시한 바와 같이, 관성 항법 정보 연산부[5000]의 하트비트[5002]에 동기화되어 가속도계로부터 취득된 가속도 값이 입력되면[5100], 항법 정보 제공 장치 내에 미리 저장된 교정 값을 사용하여 오차 보정을 수행하고[5200], 이상적인 원점으로부터 이격되어 생기는 회전량 오차를 보상하는 사이즈 이펙트(Size Effect) 및 가변 계산 주기에 최적인 샘플링 개수를 사용한 스컬링 보상을 수행[5300]한 후, 가변 연산 주기를 갖는 정렬 루프를 수행하거나[5700], 가변 시간 항법 방정식을 연산할 수 있다[5800].
연산 주기가 하트비트에 따라 가변적이기 때문에 주기적 연산 주기를 갖는 관성 항법 정보 연산부[5000]에 비해 유연한 관성 센서 샘플 개수 사용 및 연산 제어 기술이 필요하다. 가속도계의 경우와 마찬가지로 하트비트[5002]에 동기화되어 취득된 자이로스코프의 값, 예를 들어 각가속도가 입력되면[5400], 가변 연산 주기에 따른 오차 보정 과정[5500] 및 코닝 모션 보상 과정[5600]을 수행한 후, 가변 연산 주기를 갖는 정렬 루프[5700] 또는 가변 시간 항법 방정식을 연산[5800]할 수 있다.
관성 센서인 가속도계와 자이로스코프의 데이터 취득을 위한 가변 타이밍 도는 도 6에 예시한 바와 같다.
가변 타이밍 스케줄링부[1000]에 동기화된 비주기 하트비트에 따라 가속도계 값[5101]과 자이로스코프 값[5401]이 취득될 수 있으며, 이는 하트비트의 상승 에지(rising edge) 또는 하강 에지(falling edge) 또는 레벨(level) 어느 구간에서나 취득 가능하다.
도 7은 도 5의 가변연산 주기에 따른 가속도계 오차 보상 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 관성 센서인 가속도계로부터 취득된 비력(Gravity Force)이 입력되면[5210], 이러한 비력은 센서 오차 보상을 위해 표준 단위로 변환될 수 있다[5220].
연산 주기가 지속적으로 변화하므로 이를 MKS(Meter-Kilogram-Second) 단위의 기본 물리량으로 변환한다. 예컨대, 센서 오차는 온도에 따른 오차 값을 적용하게 되므로 가속도계의 온도를 적절히 필터링해서 사용해야 한다. 필터의 이득 값은 연산주기로 결정되는 시정수와 밀접한 연관이 있고 주기적인 연산을 수행하는 일반 항법 장치에서는 일정한 값으로 고정되어 있다. 반면, 본 발명에서는 비 주기적인 연산을 수행하므로 연산 주기에 따라 필터 이득이 변화하며 이를 매 연산 수행 시 마다 계산해 주어야 한다[5230].
온도 값의 필터링이 완료되면 가속도계 오차인 바이어스, 스케일 변수, 비정렬 값 등에 대한 오차교정을 수행한다[5240]. 교정되는 오차 요소는 관성 항법 정보 연산부[5000]에서 사용하는 관성 센서의 성능과 출력 특성에 따라 결정된다. 센서의 오차 교정 후에는 이를 다시 가변 연산 주기에 상응하는 시정수로 변환되어[5250], 정렬이나 항법 연산에 사용될 수 있다.
가속도계의 오차 보정[5200]이 이루어지면, 가속도계 자체의 오차 요소에 관한 보상은 이루어지나 세 축의 가속도계가 원점에 위치하지 않아서 발생하는 사이즈 이펙트나 항법 방정식 연산 간 발생한 가속도계의 스컬링(sculling) 오차는 보상되지 않은 상태이다.
도 8은 속도오차 보상을 위해 이러한 사이즈 이펙트나 스컬링 오차를 보상하기 위한 구체적인 과정을 설명하는 흐름도이다. 가속도계 자체 오차만 보상된 속도 증분값이 입력되면[5310], 관성 항법 정보 연산부[5000]는 사이즈 이펙트와 스컬링 보상을 위해 취득된 샘플을 재정렬한다[5320]. 충분한 양의 현재 샘플과 과거 샘플 및 샘플 시간(연산주기)을 메모리에 저장하여 둔다. 가속도계가 한 점에 배치되지 않아 발생하는 사이즈 이펙트는 가변연산 주기에 따라 취득된 관성 센서 값과 연산주기를 이용하여 보상한다[5330]. 항법연산 간 발생하는 하이 다이나믹(high dynamics)에 의한 스컬링 보상을 수행하여[5340], 속도 보정 [5370]을 한다.
스컬링 보상은 가변 연산 주기의 장/단에 상응하여 여러 가지 기법을 적용할 수 있다.
도 9는 도 8의 스컬링 보상 과정에서 가변 연산 주기에 따른 가속도계 스컬링 모드 선택 과정을 예시적으로 설명하는 흐름도이다.
스컬링 보상 기법은 시스템의 동특성 및 연산 주기에 따른 적합한 모드를 미리 선정해 놓는다.
스컬링 보상 과정[5340]이 시작되면 현 시점의 연산 주기(샘플링 간격)를 체크하고[5341], 스컬링 기법이 1 sample 1 previous인지[5342], 2 samples 2 previous인지[5345], 4 samples 4 previous인지[5348] 등 인지를 확인할 수 있다. 이 기법은 보상의 예시이며, 샘플의 개수는 시스템 특성에 맞추어 임의로 확장 및 축소가 가능하다. 보상 기법 확인 후 사용하려는 전체 샘플에 대해 현 시점의 연산 주기가 이전 시점의 연산주기와 일치하면[5343][5346][5349], 가변 연산 시간에 의한 영향성이 없으므로 현재 적용 중인 시 정수를 사용하여 스컬링 보상을 수행한다[5344][5347][5350].
현 시점의 연산 주기가 이전 시점의 연산 주기와 일치하지 않으면 현 시점의 연산 주기에 맞도록 과거 시점의 샘플링 값들을 보간한다[5351].
도 10은 도 9의 가변 샘플 시간으로 스컬링 보상하는 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
먼저, 스컬링 기법을 체크한 후[5352], 현 시점에서 선택된 샘플링 개수에 필요한 연산 시간을 계산하고[5353], 과거 시점의 샘플링 개수에 필요한 연산 시간을 계산한다[5354]. 현 시점의 샘플링을 이용한 연산 시간(연산 시정수)이 과거 시점의 연산 시간보다 크면[5355], 과거 샘플링을 확장하여 현재의 연산 시간과 동일한 양의 샘플을 확보하며[5356], 반대로 작으면 현시점의 연산시간에 맞도록 과거 샘플의 개수를 분할한다[5357].
도 11은 이와 같은 가속도계 스컬링 보상을 위한 데이터 재정렬 과정을 예시적으로 설명하는 도면이다.
도 11은 2 samples 2 previous로 스컬링을 보상하는 경우를 예시한 것이다.
현재 시점에서 취득된 두 개의 가속도계 샘플 cs1과 cs2는 연산 주기가 각각 δt1 이고, 이전 샘플에 적용한 연산시간 δt2, δt3보다 길다[5358]. 이 경우 과거의 샘플 여러 개를 시간 순서대로 늘어 놓고 현 시점의 샘플 시간 및 스컬링 기법에 맞추어 과거의 샘플링 데이터를 확장하여 현 시점의 연산 주기와 일치시킨다. 마찬가지로 현 시점의 연산 주기가 과거 연산 주기보다 짧을 경우[5339], 과거의 샘플 값을 분주하여 현재의 연산 주기와 일치시킨다.
도 12는 도 5의 자이로스코프 오차 보상 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
먼저, 입력된 각도 증분값 및 온도값은[5510]은, 일초 단위의 표준단위(MKS)로 변환된[5520] 후, 가속도계와 마찬가지로 가변 이득을 갖는 온도 필터[5530]을 거쳐 온도에 따른 자이로스코프의 오차요소를 보상[5540]하여 현 연산주기를 갖는 데이터로 변환된다[5550].
도 12의 과정을 수행하면 가속도계의 경우와 마찬가지로 자이로스코프 센서 자체의 오차만 보상한 상태가 된다.
도 13은 코닝 모션에 의해 다른 축으로 전이되는 모션 오차 요소를 보상하기 위한 과정을 예시하는 흐름도이다.
센서 오차가 보상된 각도 및 각속도의 증분값[5610]은 현 시점의 보상 기법에 맞도록 샘플들을 재정렬[5620]하고, 코닝 모션을 보상[5630]하여 각도 혹은 각속도 증분값만 남도록 한다[5660].
도 14는 자이로스코프에 여기되는 코닝 모션 오차를 보상하는 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 14의 코닝 모션 오차 보상을 위한 모드 선택 과정은 도 9의 가속도계 스컬링 모드 선택 과정과 유사한 과정을 거칠 수 있다.
도 14에 도시한 바와 같이, 현재의 샘플링(연산 시간) 주기 체크 과정[5631], 코닝 기법 체크 과정[5632][5635][5638], 현재 연산 시간과 과거 샘플의 연산 시간을 비교하는 과정[5633][5636][5639] 등을 거친 후, 시간이 일치할 경우 샘플의 재 정렬 없이 즉시 오차를 보상할 수 있다[5634][5637][5640]. 현 시점의 연산 주기가 이전 시점의 연산 주기와 일치하지 않으면 현 시점의 연산 주기에 맞도록 과거 시점의 샘플링 값 들을 보간할 수 있다[5641].
도 15는 도 14의 가변 샘플 코닝 모션 오차를 보간하는 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 15의 코닝 모션 오차 보간 과정은 도 9의 가속도계의 경우와 논리적 결정 루프는 동일하다.
도 15에 도시한 바와 같이, 코닝 보상 방식(기법)을 체크한 후[5642], 현 시점에서 선택된 샘플링 개수에 필요한 연산 시간을 계산하고[5643], 과거 시점의 샘플링 개수에 필요한 연산 시간을 계산한다[5644].
현 시점의 샘플링을 이용한 연산 시간(연산 시정수)이 과거 시점의 연산 시간보다 크면[5645], 과거 샘플링을 확장하여 현재의 연산 시간과 해당하는 양의 샘플을 확보하며[5646], 반대로 작으면 현 시점의 연산 시간에 맞도록 과거 샘플의 개수를 분할할 수 있다[5647].
이의 설명을 위한 세부 기술 매커니즘 또한 가속도계의 경우와 동일하게 도 11에 명시되어 있다.
센서 오차 보상 및 선속도 및 각속도 보상이 이루어지면 관성 항법 정보 연산부[5000]는 정렬 모드[5700]나 항법 모드[5800]로 진입한다. 일반적으로 정렬 모드[5700]를 먼저 수행한 후 항법 모드[5800]로 진입할 수 있다.
기존 관성 항법 정보 연산부의 정렬과 항법은 고정 연산 주기를 사용해 이루어지고, 타 시스템, 예를 들어 SAR 시스템과 연산 주기(관성 센서 데이터 샘플링 주기)를 동기화하여 사용하는 경우는 없었다. 본 발명의 실시예에서는 타 시스템과 연동되어 상시 변화하는 가변 연산 주기에 맞추어 관성센서로부터 데이터(샘플)를 취득하여 정렬 및 항법을 수행하는 매커니즘을 제시한다.
도 16 및 도 17은 도 5의 가변 시간 정렬 과정를 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
정렬을 수행하기 위한 매커니즘은 페루프를 이용한 제어기의 형태로 이루어지는 경우(도 16)와, 영속도 보정필터를 사용하여 항법장치의 자세오차를 추정하여 보상하는 경우(도 17)로 나뉘어지며, 영속도 보정필터를 사용하는 매커니즘에서도 보정필터의 초기값 결정을 위해 짧은 시간동안 폐루프 정렬기법을 사용할 수 있다.
먼저, 도 16은 도 5의 가변 시간 정렬 과정(폐루프)를 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 16에 도시한 바와 같이, 정렬이 시작되면[5701], 오차 보상된 속도 증분값 및 각속도 증분값을 획득한다[5702]. 속도 증분값 및 각속도 증분값은 폐루프 제어기의 입력으로 작용하는데, 연속적으로 변하는 연산 주기는 폐루프의 시정수로 작용하여 루프 이득을 변화시키므로 매 연산마다 폐루프의 루프 이득을 계산한다[5703]. 루프 이득이 결정되면 이에 상응하는 각 회전량이 결정되며[5704], 이러한 각 회전량을 이용하여 쿼터니언(Quaternion)을 갱신하고[5705], 수평축 자세(roll, pitch)를 추정한다[5706]. 정렬 시간이 기 설정된 정렬 시간(개략 정렬 시간)에 도달하면[5707][5708], 방위각을 1차 갱신한다[5709]. 1차 갱신은 방위각을 개략적으로 갱신하는 것을 의미한다.
정렬 방식이 폐루프 방식이면[5710], 정렬 시간이 기 설정된 정밀 정렬 시간에 도달할 때까지 폐루프 정렬을 지속적으로 수행한다. 정밀 정렬 수행 시 자세 추정 정밀도를 향상시키기 위해 폐루프의 댐핑 이득을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 정밀한 정렬 시간이 완료 시간에 도달하면[5711], 방위각을 2차 갱신(최종 방위각 갱신)하고 항법 모드로 천이한다[5714].
정렬 방식이 폐루프 방식이 아니면[5710], 영속도 보정필터를 사용하여 정렬을 수행할 수 있다[5713]. 정렬을 위한 영속도 보정필터는 연속 시간 영역에서 이산 시간 영역으로 등가모델 변환 시 고정된 보정주기(시정수)를 사용하는 것이 일반적이나, 본 발명의 실시예에서는 고정된 보정 주기를 사용하기 위해 샘플 데이터를 보간하는 방식과 일정한 개수의 샘플을 사용하고 연속 시간 모델에서 이산 시간 모델로 변환 시 샘플 수에 상응하는 보정 주기 값(시정수)을 적용하는 두 가지 방식을 제시한다.
도 17은 도 5의 가변 시간 정렬 과정(영속도 보정필터)을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 17에서 개략 정렬 시 추정된 자세 값(roll, pitch, yaw)은 영속도 보정필터의 초기 값으로 쓰일 수 있다[5715]. 영속도 보정을 위해서는 개략 정렬에서 구해진 자세 값을 이용하여 항법 방정식을 연산하고[5716], 자세 오차에 의해 위치 오차 및 속도 오차가 시간에 따라 증가하게 된다. 항법을 수행하고 나서 영속도 보정필터가 샘플 개수 기준인지[5717], 아니면 일정 단위 시간 기준인지[5725]를 판단하여 다음 과정들을 수행할 수 있다.
샘플 개수 기준일 경우 항법을 영속도 보정필터의 상태천이 행렬 및 측정 행렬에 필요한 변수들을 기준 샘플 개수에 도달할 때까지 누적하면서[5718], 이 샘플 개수에 상응하는 총 샘플 시간을 계산한다[5719]. 각각의 샘플들이 서로 다른 연산 주기를 갖게 되므로 총 샘플 개수[5718]에 상응하는 총 샘플 시간[5719]은 매 계산마다 다를 수 있다. 샘플 개수가 기 설정된 수량에 도달하면[5720], 총 샘플 시간[5719]을 이용하여 보정필터를 이산화하고 계산한다[5721]. 계산된 필터의 출력은 관성 항법 정보 연산부[5000]의 오차 요소들로써, 이를 이용하여 항법 방정식 및 센서 오차를 보정할 수 있다[5722]. 이때, 관성 항법 정보 연산부[5000]의 오차 요소들은 시스템의 요구 특성에 맞추어 차수를 결정할 수 있다. 영속도 보정필터의 가동시간이 기 설정된 기준 시간에 도달하면[5723] 영속도 보정필터를 통한 자세 보정 및 오차 추정을 중단하고 항법 모드로 천이할 수 있다[5724].
영속도 보정필터의 방식이 특정 시간을 기준으로 연산되도록 선택되면[5725], 관성센서로부터 데이터 샘플을 취득할 때마다 샘플의 개수를 누적하고[5726], 보정필터의 상태천이 행렬 및 측정치 행렬에 필요한 변수들을 누적한다[5727]. 누적된 샘플 수에 상응하는 누적 연산 시간이 정해진 기준 시간보다 크거나 같아지면[5728], 도 11에서처럼 기준 샘플 시간에 맞추어 샘플을 재정렬하고 보간한다[5729].
보간이 완료되면 미리 정해진 기준시간(predefined time)을 시정수로 하여 연속시간 영역의 오차 방정식을 이산 시간으로 변환한다[5721]. 이 경우에는 기준 시간이 일정하므로 시정수가 고정된 일반 필터처럼 이산 모델을 고정할 수 있다. 이산 모델로 변환된 오차 방정식을 이용하여 정렬 필터를 구동하여 항법 오차, 센서 오차 및 장착 오차를 추정한 뒤[5721], 이를 이용하여 항법 방정식의 연산 오차를 포함한 각종 오차를 보정하고[5722], 정렬 시간이 기준 시간에 도달하면[5723] 항법 모드로 천이한다[5723].
항법 모드로의 천이는 외부로부터의 인가명령에 의해서 혹은 자동으로 진입이 가능하다.
도 18은 도 5의 가변 시간 항법 과정, 예컨대 항법 모드에서의 항법 해(위치, 속도, 자세 등)를 연산하는 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 18에 도시한 바와 같이, 비행 모드 진입 후 정렬 모드에서 연산된 자세 및 위치 값[5802]을 이용하여 항법 방정식을 연산하기 시작할 수 있다[5801]. 이때에도 가변 타이밍 스케줄링부[1000]의 전파 방사를 위한 시간 스케줄에 동기화 된 관성 항법 정보 연산부[5000]의 하트비트를 체크할 수 있으며[5803], 이러한 하트비트에 맞추어 자세, 속도 및 위치를 갱신할 수 있다[5804][5805][5806].
자세 연산 시 관성 항법 정보 연산부[5000]의 하트비트(시정수, 연산주기)는, 지구 자전 영향에 의한 각속도 및 실제 항법 장치의 자세 회전량 보상시의 시정수, 속도 계산을 위한 연산 주기 간(하트비트) 발생한 속도 증분값 및 코리올리 항 보상 등의 시정수, 전송률(transport rate) 연산을 위한 시정수, 위치 연산을 위한 연산 주기 간(하트비트) 발생한 위치 증분값 등의 시정수로써 작용한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 가변 전파 송수신 주기(또는 가변 연산 주기)를 갖는 레이더, 예를 들어 SAR의 영상 정밀도 향상을 위해 SAR과 관성 항법 정보 연산부의 일체화된 설계를 구현하고, SAR의 펄스 신호 송수신 주기와 동기화되어 항법 정보의 위치, 속도, 자세 등의 연산 주기를 가변할 수 있는 항법 정보 제공 기술을 구현하고자 하며, SAR과 관성 항법 정보 연산부를 일체화 설계하여 근본적인 시각 동기 불일치 및 고주파 자세 미보정 문제를 해결하고자 한다.
한편, 첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.
이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 기록매체(또는 메모리) 등에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 기록매체(또는 메모리)에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.
그리고, 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 적어도 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
1000: 가변 타이밍 스케줄링부(Variable Timing Scheduling)
2000: RF 송수신부(RF Transmitter/Receiver)
3000: RF 안테나부(RF Antenna Unit)
4000: 타이밍 제어부(Timing Control Unit)
5000: 관성 항법 정보 연산부
6000: 영상 처리부(Image Processing Unit)
1001: 가변 타이밍 스케줄링부의 전파 전송 신호 출력부(Transmit Start Signal)
2001: RF 송수신부의 전파 전송 신호 출력부
3001: RF 안테나부의 전파 전송 신호 출력부
4100: 시간 지연 제어부(Time Delay Control)
4500: 가변 항법 수행 시간 제어부(Variable Navigation Execution Time Controller)
4111: 시간지연 제어 개시부
4112: 가변 타이밍 스케줄러 신호 확인부
4113: RF 송수신부 신호 확인부
4114: RF 안테나 신호 확인부
4115: 시간지연 계산부
4502: 가변 타이밍 클럭 생성부
4002: 가변 타이밍 스케줄러 동기화 유효 신호 출력부
4501: 가변 타이밍 클럭 출력부
5001: 동기화된 관성 항법 정보 연산부 내부 클럭 생성부
5002: 하트비트(Heart Beat) 생성부
5100: 가속도계 값 취득부
5200: 가변시간 가속도계 오차보정부
5300: 가변시간 사이즈효과 & 스컬링 보상부
5400: 자이로스코프 값 취득부
5500: 가변시간 자이로스코프 오차보정부
5600: 가변시간 코닝모션 보상부
5700: 가변시간 정렬부
5800: 가변시간 항법부
5101: 하트비트에 동기화 된 가속도계 값 취득
5401: 하트비트에 동기화 된 자이로스코프 값 취득
5210: 비력 입력부
5220: 표준단위로 변환부
5230: 가변이득 온도필터링부
5240: 센서오차 보정부
5250: 가변시간 주기로 변환부
5310: 보상되지 않은 속도증분 값 입력부
5320: 속도 샘플링 시간 재정렬부
5330: 사이즈 이펙트 보상부
5340: 스컬링 보상부
5370: 보상된 속도증분 값 출력부
5341: 샘플링 간격 체크부
5342, 5345, 5348: 스컬링 기법확인부
5343, 5346, 5349: 샘플링 주기 비교부
5344, 5347, 5350: 현재 설정된 샘플링 간격으로 스컬링 보상부
5351: 가변 샘플시간으로 스컬링 보상부
5352: 스컬링 기법체크부
5353: 현재 샘플 총시간 계산부
5354: 과거 샘플 총시간 계산부
5355: 샘플시간 비교부
5356: 과거샘플 확장부
5357: 과거샘플 분할부
5510: 각도증분 값 입력부
5520: 표준단위 변환부
5530: 가변이득 온도필터부
5540: 센서오차 보정부
5550: 가변계산 주기 변환부
5610: 보상되지 않은 각도 증분 값 입력부
5620: 샘플링 시간 재정렬
5630: 코닝모션 보상부
5660: 보상된 각도증분 값 출력부
5631: 샘플링 간격 체크부
5632, 5635, 5638: 코닝 기법확인부
5633, 5636, 5639: 샘플링 주기 비교부
5634, 5637, 5640: 현재 설정된 샘플링 간격으로 코닝보상부
5641: 가변 샘플 시간으로 코닝모션 보상부
5642: 코닝기법 체크부
5643: 현재 샘플 총시간 계산부
5644: 과거 샘플 총시간 계산부
5645: 샘플시간 비교부
5646: 과거샘플 확장부
5647: 과거샘플 분할부
5701: 정렬 시작부
5702: 보상된 속도 증분값 및 각속도 증분값 획득부
5703: 가변 루프이득 계산부
5704: 각 회전 제어량 계산부
5705: 가변시간 적용 쿼터니언 갱신부
5706: 자세 갱신부
5707, 5708: 정렬시간 확인부
5709: 개략방위각 갱신부
5710: 정렬방식 확인부
5711: 정밀 정렬시간 확인부
5712: 정밀 방위각 갱신부
5713: 영속도 보정필터로 정렬수행부
5714: 항법모드 천이부
5715: 개략정렬 값으로 자체 초기화부
5716: 항법방정식 계산부
5717, 5725: 영속도 보정 측정치 갱신방식 선택
5718: 필터 상태변수 누적부
5719: 총 샘플시간 계산부
5720: 샘플시간 비교부
5721: 총 샘플시간으로 보정필터 이산화
5722: 항법오차 보상
5723: 정렬시간 확인부
5724: 항법모드 천이
5726: 샘플 시간 카운트
5727: 필터 상태변수 누적부
5728: 샘플시간 확인부
5729: 샘플보간부
5801: 항법방정식 연산
5802: 자세 및 위치 초기화
5803: 가변연산(하트비트) 신간 체크
5804: 자세갱신
5805: 속도갱신
5806: 위치갱신

Claims (23)

  1. 가변 항법 주기 및 전파 송수신 주기를 결정하기 위한 타이밍 신호를 RF 송수신부로 전달하여 상기 타이밍 신호에 따라 결정되는 전파 송수신 주기로 RF 안테나를 통해 전파가 방사되도록 하는 가변 타이밍 스케줄링부;
    상기 타이밍 신호와 상기 RF 안테나의 전파 방사 시간 간의 지연시간을 계산하고, 상기 지연시간을 기초로 상기 가변 항법 주기의 연산 주기를 결정하는 타이밍 제어부;
    상기 연산 주기를 기초로 생성되는 하트비트와 동기화되어 주기적으로 상기 가변 항법 주기의 연산을 수행하는 관성 항법 정보 연산부; 및
    상기 가변 항법 주기의 연산 결과를 기초로 SAR의 영상을 처리하는 영상 처리부를 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 타이밍 제어부는,
    상기 전파가 방사될 때 상기 가변 타이밍 스케줄링부, 상기 RF 송수신부 및 상기 RF 안테나의 전송 시작 신호를 동기화하여 시간지연을 연산하는 시간 지연 제어부; 및
    상기 가변 타이밍 스케줄링부로부터 가변 연산 주기를 전송 받아 상기 시간 지연 제어부에서 연산한 시간 지연을 적용하여 가변 타이밍을 상기 관성 항법 정보 연산부로 전송하는 가변 항법 수행 시간 제어부를 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 시간 지연 제어부는,
    상기 가변 타이밍 스케줄링부로부터 제1 전송 시작 신호가 입력될 때까지 시간 지연 동작을 반복하고, 상기 제1 전송 시작 신호가 입력되면 상기 RF 송수신부로부터 제2 전송 시작 신호가 입력될 때까지 상기 시간 지연 동작을 반복하며, 상기 RF 송수신부로부터 상기 제2 전송 시작 신호가 입력되면 상기 RF 안테나로 제3 전송 시작 신호가 입력될 때까지 상기 시간 지연 동작을 반복하다가 상기 제3 전송 시작 신호가 입력되면 상기 지연시간을 계산하여 상기 가변 항법 수행 시간 제어부로 제공하고,
    상기 관성 항법 정보 연산부 및 상기 영상 처리부로 가변 타이밍 클럭을 제공하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 시간 지연 제어부는,
    상기 가변 타이밍 스케줄링부로부터 출력된 동기화 유효 신호가 유효하면 상기 가변 타이밍 스케줄링부의 가변 타이밍 클럭과 시간지연을 데이터로 출력하거나, 시간지연을 보상한 가변 타이밍 클럭을 출력하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가변 타이밍 클럭은 상기 하트비트와 동기화되는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 관성 항법 정보 연산부는,
    상기 동기화 유효 신호가 유효하지 않을 경우, 유효하지 않은 상태로 천이하는 하강 에지(Falling Edge)에 동기화되어 관성 항법 정보 연산부 내부 클럭을 초기화하고 관성 항법 정보 연산부의 내부 클럭을 하트비트로 하며, 상기 동기화 유효 신호가 유효할 때 상기 가변 타이밍 클럭을 상기 항법 정보 연산부의 하트비트와 동기화하여 사용하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 장치.
  7. 가변 타이밍 스케줄링부가 가변 항법 주기 및 전파 송수신 주기를 결정하기 위한 타이밍 신호를 RF 송수신부로 전달하여 상기 타이밍 신호에 따라 결정되는 전파 송수신 주기로 RF 안테나를 통해 전파가 방사되도록 하는 단계;
    타이밍 제어부가 상기 타이밍 신호와 상기 RF 안테나의 전파 방사 시간 간의 지연시간을 계산하고, 상기 지연시간을 기초로 상기 가변 항법 주기의 연산 주기를 결정하는 단계;
    관성 항법 정보 연산부가 상기 연산 주기를 기초로 생성되는 하트비트와 동기화되어 주기적으로 상기 가변 항법 주기의 연산을 수행하는 단계; 및
    영상 처리부가 상기 가변 항법 주기의 연산 결과를 기초로 동기화된 상기 가변 항법 정보의 영상을 처리하는 단계를 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 관성 항법 정보 연산부의 하트비트에 동기화되어 가속도계로부터 취득된 가속도 값을 입력 받는 단계;
    상기 관성 항법 정보 연산부에 기 저장된 교정값을 사용하여 오차 보정을 수행하는 단계;
    사이즈 이펙트(Size Effect) 및 가변 계산 주기에 위한 샘플링 개수를 사용하여 스컬링 보상을 수행하는 단계; 및
    상기 스컬링 보상을 기초로 가변 연산 주기를 갖는 정렬 루프를 수행하거나 가변 시간 항법 방정식을 연산하는 단계를 더 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 관성 항법 정보 연산부의 하트비트에 동기화되어 자이로스코프로부터 취득된 각각속도 값을 입력 받는 단계;
    상기 관성 항법 정보 연산부에 기 저장된 교정값을 사용하여 오차 보정을 수행하는 단계;
    가변 계산 주기에 위한 샘플링 개수를 사용하여 코닝 보상을 수행하는 단계; 및
    상기 코닝 보상을 기초로 가변 연산 주기를 갖는 정렬 루프를 수행하거나 가변 시간 항법 방정식을 연산하는 단계를 더 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 관성 항법 정보 연산부의 가변 하트비트에 동기화되어 자이로스코프의 샘플을 취득하는 단계; 및
    가변연산 주기에 따른 오차 및 코닝 모션을 보상하는 단계를 더 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 하트비트에 따라 상기 가속도계와 상기 자이로스코프의 샘플을 취득하는 단계를 더 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 오차 보정을 수행하는 단계는,
    상기 가속도계로부터 비력을 입력 받는 단계;
    상기 비력을 표준 단위로 변환하는 단계;
    상기 관성 항법 정보 연산부의 가변 연산 주기에 따라 변하는 온도 필터 이득을 실시간 연산하여 온도를 필터링하는 단계;
    상기 온도의 필터링이 완료되면 상기 온도의 필터링 결과를 적용하여 상기 가속도계의 센서 오차를 보정하는 단계; 및
    상기 센서 오차의 보정 결과를 가변 연산 주기에 상응하는 시정수로 변환하는 단계를 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 오차 보정을 수행하는 단계는,
    상기 가변 연산 주기에 따른 속도 증분값을 입력 받는 단계; 및
    상기 속도 증분값을 재 정렬한 후 사이즈 이펙트(size effect) 및 스컬링(sculling)을 보상하여 상기 속도 증분값을 보상하는 단계를 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 가속도계의 오차를 보상된 속도 성분의 사이즈 이펙트 및 스컬링의 가변 연산 주기 보상 및 이를 위한 취득 샘플을 재정렬하는 단계; 및
    상기 가변 연산 주기의 길고 짧은 특성을 기초로 실시간으로 스컬링 기법을 선택하는 단계를 더 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 샘플링 개수의 많고 적은 특성 및 상기 관성 항법 정보 연산부의 동특성에 따라 스컬링 기법과 코닝 기법을 선택하는 단계;
    상기 스컬링 기법과 상기 코닝 기법이 선택되면 현재 시점의 연산 주기를 체크하고 상기 스컬링 기법과 상기 코닝 기법을 체크하는 단계; 및
    상기 스컬링 기법과 상기 코닝 기법의 체크 후 사용하려는 전체 샘플에 대해 현재 시점의 연산 주기가 과거 시점의 연산 주기를 확인하여 현재 시점의 연산 주기에 맞도록 과거의 샘플링 값 들을 보간하는 단계를 더 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 스컬링 기법과 상기 코닝 기법을 체크한 후 현재 시점에서 선택된 샘플링 개수에 필요한 연산 시간을 계산하는 단계;
    과거 시점의 샘플링 개수에 필요한 연산 시간을 계산하는 단계;
    상기 현재 시점의 샘플링을 이용한 연산 시간이 상기 과거 시점의 연산 시간보다 크면 과거 샘플링을 확장하여 현재의 연산 시간과 동일한 양의 샘플을 확보하는 단계; 및
    상기 현재 시점의 샘플링을 이용한 연산 시간이 상기 과거 시점의 연산 시간보다 작으면 상기 현재 시점의 연산 시간에 맞도록 과거 샘플의 개수를 분할하는 단계를 더 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 현재 시점에서 취득된 가속도계/자이로스코프 샘플의 연산 주기가 이전 샘플의 연산 주기보다 길 경우 복수의 과거 샘플을 시간 순서대로 늘어 놓고 상기 현재 시점의 샘플 시간 및 보상 기법에 맞추어 과거의 샘플링 데이터를 확장하여 상기 현재 시점의 연산 주기와 일치시키는 단계; 및
    상기 현재 시점의 연산 주기가 상기 과거 시점의 연산 주기보다 짧을 경우 과거의 샘플 값을 분할하여 현재의 연산 주기와 일치시키는 단계를 더 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  18. 제 8 항에 있어서,
    입력된 각도 증분값 및 온도 값을 표준 단위로 변환 후 실시간 가변 이득을 갖는 온도 필터를 거쳐 온도에 따른 자이로스코프의 오차 요소를 보상하는 단계; 및
    현재의 연산주기를 갖는 데이터로 변환하는 단계를 더 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  19. 제 8 항에 있어서,
    정렬이 시작되면 가변 연산 시간에 맞추어 오차 보상된 속도 증분값 및 각속도 증분값을 호출하는 단계;
    상기 속도 증분값 및 상기 각속도 증분값을 이용하여 자세를 연산하기 위한 폐루프 제어기에서 가변 연산 주기를 폐루프의 시정수로 적용시키는 단계;
    매 연산마다 상기 폐루프의 댐핑 이득을 계산하는 단계;
    상기 댐핑 이득에 상응하는 각 회전량을 결정하는 단계;
    상기 각 회전량을 이용한 가변 연산 쿼터니언을 갱신하여 자세를 추정하는 단계;
    기 설정된 개략 정렬 시간에 도달하면 방위각을 갱신하고, 정렬 방식이 상기 폐루프 방식이면 기 설정된 정밀 정렬 시간에 도달할 때까지 상기 댐핑 이득을 증가 또는 감소 또는 유지시키면서 폐루프 정렬을 지속적으로 수행하는 단계; 및
    상기 정렬 방식이 상기 폐루프 방식이 아니면 영속도 보정필터를 사용하여 정렬을 수행하는 단계를 더 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 영속도 보정필터를 사용하여 정렬을 수행하는 단계는,
    상기 가변 연산 시간을 사용하는 개략 정렬 시 추정된 자세 값을 보정 필터의 초기 값으로 사용하는 단계;
    상기 영속도 보정필터를 위해 개략 정렬에서 구해진 자세 값을 이용하여 가변 연산 주기로 항법 방정식을 연산하는 단계;
    상기 영속도 보정필터 적용기준을 샘플 개수 또는 일정 시간으로 수행하는 단계;
    상기 샘플 개수 기준일 경우, 상기 영속도 보정 필터의 상태 천이 행렬 및 측정행렬에 필요한 서로 다른 연산 주기를 갖는 변수들을 기준 샘플 개수에 도달할 때까지 누적하는 단계;
    상기 기준 샘플 개수에 상응하는 총 샘플 시간을 계산하는 단계
    샘플 개수가 기 설정된 수량에 도달하면 총 샘플 시간을 이용하여 보정필터를 이산화하는 단계;
    연산된 필터 추정값을 사용하여 항법 및 센서오차를 보상하는 단계;
    상기 영속도 보정필터 방식이 일정 시간을 기준으로 선택되면, 관성 센서로부터 데이터 샘플을 취득할 때마다 샘플을 누적하고, 동시에 상기 영속도 보정필터의 상태 천이 행렬 및 측정치 행렬에 필요한 변수들을 누적하는 단계;
    상기 누적된 샘플 개수에 상응하는 누적 연산 시간이 기 설정된 기준 시간보다 크거나 같아지면 상기 일정 시간 기준에 맞추어 샘플을 재정렬하고 보간하는 단계;
    상기 보간이 완료되면 기준 시간(predefined time)을 시정수로 하여 연속 시간 영역의 오차 방정식을 이산 시간으로 변환하는 단계;
    이산 모델로 변환된 오차 방정식을 이용하여 정렬필터를 구동하여 항법오차, 센서오차 및 장착오차를 추정하여 항법 및 센서오차를 보상하는 단계; 및
    상기 정렬 시간이 상기 기준 시간에 도달하면 항법 모드로 천이하는 단계를 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  21. 제 7 항에 있어서,
    상기 하트비트 신호를 기준 시간으로 사용하여 상기 가변 항법 정보의 자세, 속도 및 위치를 연산하는 단계를 더 포함하는
    관성 항법 시스템의 항법 정보 제공 방법.
  22. 가변 항법 주기 및 전파 송수신 주기를 결정하기 위한 타이밍 신호를 RF 송수신부로 전달하여 상기 타이밍 신호에 따라 결정되는 전파 송수신 주기로 RF 안테나를 통해 전파가 방사되도록 하는 단계;
    상기 타이밍 신호와 상기 RF 안테나의 전파 방사 시간 간의 지연시간을 계산하고, 상기 지연시간을 기초로 상기 가변 항법 주기의 연산 주기를 결정하는 단계;
    상기 연산 주기를 기초로 생성되는 하트비트와 동기화되어 주기적으로 상기 가변 항법 주기의 연산을 수행하는 단계; 및
    상기 가변 항법 주기의 연산 결과를 기초로 동기화된 상기 가변 항법 정보의 영상을 처리하는 단계를 수행하는 명령어를 포함하는 프로그램이 기록된
    컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
  23. 가변 항법 주기 및 전파 송수신 주기를 결정하기 위한 타이밍 신호를 RF 송수신부로 전달하여 상기 타이밍 신호에 따라 결정되는 전파 송수신 주기로 RF 안테나를 통해 전파가 방사되도록 하는 단계;
    상기 타이밍 신호와 상기 RF 안테나의 전파 방사 시간 간의 지연시간을 계산하고, 상기 지연시간을 기초로 상기 가변 항법 주기의 연산 주기를 결정하는 단계;
    상기 연산 주기를 기초로 생성되는 하트비트와 동기화되어 주기적으로 상기 가변 항법 주기의 연산을 수행하는 단계; 및
    상기 가변 항법 주기의 연산 결과를 기초로 동기화된 상기 가변 항법 정보의 영상을 처리하는 단계를 수행하는
    컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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