KR20220099313A - 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템 - Google Patents

고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템 Download PDF

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KR20220099313A
KR20220099313A KR1020210001405A KR20210001405A KR20220099313A KR 20220099313 A KR20220099313 A KR 20220099313A KR 1020210001405 A KR1020210001405 A KR 1020210001405A KR 20210001405 A KR20210001405 A KR 20210001405A KR 20220099313 A KR20220099313 A KR 20220099313A
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한택수
정연욱
신규영
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주식회사 신성씨앤티
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Abstract

고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템이 개시된다. 본 발명의 복합항법 시스템은 온도 보정이 되며 6축 IMU를 포함하는 기능성패키지와 3축 지자계 및 1축 고도계를 포함하는 기능패키지, 및 상기 기능패키지의 데이터를 I2C버스로 수신하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 온도보정된 기능성패키지의 데이터와 3축 지자계의 출력데이터 그리고 1축고도계의 출력데이터를 I2C버스로 입력받아 센서보정 알고리즘 등을 통하여 센서 신호들을 결합하고 결합한 데이터를 메인보드로 출력하도록 구성함으로써 저비용 IMU(MEMS) 센서에 온도 보정 기능을 더하여 고가의 장비 성능 수준의 10축 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템{HIGH RELIABILITY INTEGRATED EMBEDDED NAVIGATION SYSTEM}
본 발명은 복합항법 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고가의 장비 성능 수준에 해당하는 IMU 6축과 지자계 3축 그리고 고도계 1축을 이용한 10축 복합 항법 모듈을 이용하여 IMU 성능 출력을 최대로 할 수 있는 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 위치기반 서비스에서는 GPS 신호를 이용한 항법 시스템이 널리 사용되고 있다.
하지만, 이러한 항법 시스템은 GPS 신호가 수신되지 않는 경우에 위치 정보를 알기 어렵고, GPS만으로는 이동체의 돌발상황을 감지하기 어렵기 때문에 관성 센서를 추가적으로 이용하여 관성 센서와 GPS 신호 모두를 이용하여 이동체의 위치정보를 알아내는 기술이 개발되었다.
IMU(Inertial Measurement Unit)라 불리우는 관성센서는 주로 MEMS 센서를 이용할 수 있다.
도 1의 종래의 항법 시스템의 일 예를 참고하면, 종래의 항법 시스템(10)은 IMU(11), 네비게이션 알고리즘 모듈(N.A;12), GPS(13), 및 필터(예컨대, 칼만 필터(K.F) 모듈(14)을 포함한다.
IMU(11)를 통해 각속도, 가속도, 및/또는 지자기 정보 등의 관성 데이터를 획득하면, 네비게이션 알고리즘 모듈(12)은 상기 관성 데이터에 기초하여 이동체의 위치 정보를 알아낸다.
또한, 필터모듈(14)은 GPS(13)로부터 수신된 GPS 신호와 네비게이션 알고리즘 모듈(12)에 의해 알아낸 위치 정보를 융합하여 보다 정밀도가 향상되고 노이즈가 줄어든 위치 정보 즉, x(위도), y(경도), z(고도)를 판독하여 출력하도록 동작한다.
이때 네비게이션 알고리즘 모듈(12)에 의해 얻어내는 위치 정보는 IMU(11)에 획득된 관성 데이터(예컨대, 가속도, 각속도 등)를 적분하여 원하는 물리량을 얻는 방식이므로 시간에 따라 오류가 계속 누적되는 드리프트(drift) 현상이 발생하게 되고, 이에 따라 전체 시스템(10)의 정밀도가 저하되게 된다.
실제로 MEMS 센서를 이용하는 IMU(11)에서는 Z축 방향의 정밀도가 떨어져 고도에 대한 정보에 오차가 많으며, 이는 전체 시스템의 정밀도를 떨어뜨리는 문제가 발생한다.
또한, 관성 데이터에 의해 얻어진 위치정보와 GPS 신호를 통해 얻어진 위치정보를 융합함으로써 보다 정밀도가 높은 최종적인 위치정보를 알 수 있는데, GPS 신호가 수신되지 않는 경우에는 이러한 효과를 누릴 수 없게 된다.
관성측정장치(IMU, Inertial measurement unit) 및 속도 보정장치는 복합 항법을 구현하기 위해 사용하는 대표적인 센서이다.
하지만, IMU를 통해 계산된 항법정보는 짧은 시간대에서는 비교적 정확하나, 각속도와 가속도 성분을 적분하여 항법 결과를 계산하는 특성으로 인하여 오차가 누적되는 단점이 있다.
이러한 오차를 개선하기 위해서는 정밀 알고리즘 및 항법에 필요한 센서, 장비 및 구축 비용에 많은 비용과 인력이 필요하게 된다.
KR 등록특허공보 제10-1528780호(2015.06.09)
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 단위모듈로 구성된 통합항법보드와 6축 MEMS IMU, 3축 지자계를 고신뢰성 10축 복합 항법시스템으로 통합한 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고 본 발명은 3축 자이로와 3축 가속도계로 구성된 6축 IMU와 3축 지자계와 1축고도계의 센서신호를 결합하여 관성항법처리한 다음, GPS를 이용한 위성항법처리와 통합하여 복합항법처리를 구성한 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템은 온도 보정이 되며 6축 IMU를 포함하는 기능성패키지와 3축 지자계 및 1축 고도계를 포함하는 기능패키지, 및 상기 기능패키지의 데이터를 I2C버스로 수신하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 온도보정된 기능성패키지의 데이터와 3축 지자계의 출력데이터 그리고 1축고도계의 출력데이터를 I2C버스로 입력받아 센서보정 알고리즘 등을 통하여 센서 신호들을 결합하고 결합한 데이터를 메인보드로 출력하도록 구성함으로써 달성될 수 있다.
또한, 상기 IMU에 사용할 수 있는 GPS_1 및 실시간 위치 모듈로 동작하는 GPS_2를 더 포함하며, 상기 메인보드는 항재밍을 포함하는 통합항법보드로 10축 복합 항법 모듈과 실시간 위치 모듈로부터 SPI신호를 수신하여 복합항법 시스템을 운영하기 위한 프로그램을 구동하도록 동작한다.
또한, 상기 GPS_1로 수신한 GPS데이터를 UART(범용 비동기화 송수신기: Universal asynchronous receiver/transmitter)로 이용하여 출력되는 병렬데이터를 직렬 방식으로 전환하여 제어부로 전송하고,
상기 IMU는 터널, 건물 내부 또는 전자적 간섭이 있을 때와 같이 GPS_1신호를 사용할 수 없을 때 별도의 GPS수신기인 실시간 위치 모듈을 사용하여 GPS위치 정보를 수신한다.
그리고 상기 소프트웨어는 인가된 재밍 신호를 제거하기 위한 항재밍신호처리 알고리즘을 수행하는 소프트웨어인 항재민 소프트웨어와 재밍신호가 제거된 위성신호를 처리하여 위성항법해를 구하기 위한 소프트웨어인 위성항법소프트웨어와 관성측정기에서 측정된 가속도와 각속도 정보를 사용하여 관성항법 해를 구하는 소프트웨어인 관성항법소프트웨어 그리고 위성항법해와 관성항법해를 통합하여 오차가 보정된 복합항법 해를 구하기 위한 소프트웨어인 통합항법 소프트웨어를 포함할 수 있다.
따라서 본 발명의 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템에 의하면, 저비용 IMU(MEMS) 센서에 온도 보정 기능을 더하여 고가의 장비 성능 수준의 10축 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템에 의하면, 복합항법 알고리즘을 사용하기 때문에 오차 가능성을 최대한 줄일 수 있어 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명의 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템에 의하면, PID 알고리즘 온도 보정으로 최적의 IMU 성능 출력을 기대할 수가 있으며, 작은 모듈타입 형태로 구성이 가능하기 때문에 공간 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 항법 시스템의 일 예를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명 고신뢰성 통합 복합항법시스템의 주요 구성도,
도 3은 본 발명 복합항법시스템의 S/W 기능흐름도,
도 4는 지상 통합 시험에 관한 참고도면,
도 5는 기능성 패키지의 단면도를 예시한 도면,
도 6은 다른 실시예에 의한 10축 복합 항법 시스템의 구성도,
도 7은 약결합 방식의 INS/GNSS 통합 항법 시스템의 구성도,
도 8은 강결합 방식의 INS/GNSS 통합 항법 시스템의 구성도,
그리고
도 9는 센서융합시스템의 일례를 도시한 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서 "및/또는"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목"의 의미는 제1, 제2 또는 제3 항목뿐만 아니라 제1, 제2 또는 제3 항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
명세서 전체에서 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c, ...)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 한정하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명 고신뢰성 통합 복합항법시스템의 주요 구성도로서, 도시된 바와 같이 본 발명의 복합항법시스템은 10축 복합 항법 모듈(100)과 실시간 위치 모듈인 GPS_2(200) 그리고 메인보드(300)를 포함한다.
10축 복합 항법 모듈(100)은 온도 보정이 되며 6축 IMU를 포함하는 기능성패키지(120)와 3축 지자계(140) 그리고 1축 고도계(150)의 데이터를 I2C버스로 제어부(110)에 입력하여 10축 복합 항법 데이터를 메인보드(300)로 출력하도록 제어한다.
기능성패키지(120)는 제어부(110)에서 출력되는 PWM을 PID를 사용한 온도보정을 하고 온도보정된 데이터를 제어부(110)로 I2C버스로 전송된다.
이러한 기능성 패키지의 일례가 도 5에 개시되어 있다.
도면을 참고하면, 본 발명의 기능성패키지(120)는 자이로스코프와 가속도계의 바이어스 반복도 향상을 위한 다른 영역에서의 개선사항을 기능성 패키지에 작용한 것으로, 도면과 같은 구성을 형성함으로써, 바이어스 반복도가 향상되고 온도와 진동에 있어서 그 민감도를 개선할 수 있는 것이다.
도 5는 기능성 패키지의 단면도를 예시한 도면으로, 기능성 패키지(120)안에 히터(123)와 RTD 온도센서(121)가 6축 IMU(122)와 함께 플랫폼에 탑재되어 있음을 알 수 있다.
상부도면은 기능성 패키지의 사시도이나 내부가 투영되게 작성된 것이고, 하부도면은 그 단면도를 개시한 것이다.
격리된 플랫폼에 히터(123)가 6축 IMU(122)의 하부에 구성되고 IMU(122)의 상부에 온도센서(121)가 탑재되어 있음을 알 수 있다.
이러한 구성으로 바이어스 반복도를 개선할 수가 있는 것이다.
IMU의 불규칙 오차는 양자화잡음, 랜덤워크, 바이어스 등이 혼합되어 나타나기 때문에 바이어스 반복도 평가를 위해서는 이러한 오차를 추정하여 그 중에서 센서의 중요한 오차 성분인 바이어스를 추출하여 개선할 수 있다.
즉 실험데이터에 의한 Allan분산을 계산하고 이를 불규칙오차의 종류와 크기를 추정한 다음 바이어스 성분을 추출하고 전원 온/오프에 반복시험에 의한 바이어스 반복도를 계산하는 것이다.
Allan분산은 혼합된 잡음의 각각의 성분을 추정하는 방법으로 IEEE 표준으로 정해져 있는 구간별 데이터의 평균의 차이에 대한 분산방법이다.
이를 위하여 기능성패키지(120)는 히터(123)와 온도센서(121) 그리고 6축 IMU(122)로 구성하는 것이다.
제어부(110)에서 출력되는 PWM을 PID(비례-적분-미분 제어기;Proportional-Integral-Differential controller)로 히터(123)에 인가하여 온도를 제어하되 6축 IMU(122)에 내장된 온도센서(121)에 따라 온도 제어가 이루어지도록 하고, 이렇게 온도보정된 데이터를 제어부(110)로 I2C버스로 전송하는 것이다.
6축 IMU(122)는 6축 관성 측정장치로 가속도계와 회전 속도계, 때로는 자력계의 조합을 사용하여 신체의 특정한 힘, 각도 비율 및 때로는 신체를 둘러싼 자기장을 측정하는 전자 장치이나 본 발명에서는 하나 이상의 가속도계를 사용하여 선형 가속도를 감지하고 하나 이상의 자이로스코프를 사용하여 회전 속도를 감지하도록 동작한다.
이러한 IMU는 일반적으로 무인 항공기(무인 항공기)를 포함한 항공기와 인공위성과 육지를 포함한 우주선을 조종하는 데 사용된다.
또한, 본 발명의 MEMS 센서의 동작 오류 및 오차를 줄이기 위하여 2개 이상의 앙상블 자이로와 가속도 센서를 사용하여 신호처리 및 오차 보정 알고리즘을 적용하여 센서의 최고 성능을 구현하도록 구성하는 것을 하나의 특징으로 한다.
이를 위하여 본 발명에서의 6축 IMU(122)는 3축 가속도계를 사용하여 선형 가속도를 감지하고 3축 자이로스코프를 사용하여 회전 속도를 감지하도록 동작한다.
본 발명은 IMU에 사용할 수 있는 GPS_1(160)장치로부터 출력되는 병렬데이터인 GPS데이터를 UART(범용 비동기화 송수신기: Universal asynchronous receiver/transmitter)를 이용하여 직렬 방식으로 전환하여 제어부(110)로 전송하도록 한다.
또한, IMU는 터널, 건물 내부 또는 전자적 간섭이 있을 때와 같이 GPS_1신호를 사용할 수 없을 때 별도의 GPS수신기인 GPS_2(200)를 사용할 수 있도록 하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
제어부(110)는 I2C버스로 전송되는 기능성패키지(120)와 3축지자계(140), 그리고 1축고도계(150)로부터 센싱정보를 수신하도록 동작한다.
즉, 제어부(110)는 온도보정된 기능성패키지(120)의 데이터와 3축 지자계(140)의 출력데이터 그리고 1축고도계(150)의 출력데이터를 I2C버스로 입력받아 센서보정 알고리즘 등을 통하여 센서 신호들을 결합하고 결합한 데이터를 메인보드(300)로 출력한다.
참고로 I2C버스는 양방향 2선 통신 규격으로 SDA데이터 라인과 SCL클럭라인으로 구성하고, 2선은 풀업저항으로 VDD에 연결되어 데이터 전송은 bus상태가 busy가 아닐 때 시작가능하며, non busy란 SCL, SDA 모두 high상태를 의미한다.
메인보드(300)는 항재밍을 포함하는 통합항법보드로 10축 복합 항법 모듈(100)과 실시간 위치 모듈인 GPS_2(200)로부터 SPI(Serial Peripherl Interface)신호로 데이터를 수신하여 복합항법 시스템을 운영하기 위한 프로그램을 구동하도록 동작한다.
도 3의 본 발명 복합항법시스템의 S/W 기능 흐름도를 참고하면, 항재민 소프트웨어는 인가된 재밍 신호를 제거하기 위한 항재밍신호처리 알고리즘을 수행하는 소프트웨어이고, 위성항법소프트웨어는 재밍신호가 제거된 위성신호를 처리하여 위성항법해를 구하기 위한 소프트웨어를, 관성항법소프트웨어는 관성측정기에서 측정된 가속도와 각속도 정보를 사용하여 관성항법 해를 구하는 소프트웨어이다.
통합항법 소프트웨어는 위성항법해와 관성항법해를 통합하여 오차가 보정된 복합항법 해를 구하기 위한 소프트웨어이다.
도 3은 위성 항법 소프트웨어와 관성항법 소프트웨어를 통합하여 통합항법 소프트웨어에 이르기 까지 과정의 도면이다. 위성항법해 구성은 위성 GPS신호와 방해를 위한 GPS 재머, 항재밍소프트웨어, GSNN신호 위성항법소프트웨어로 구성되어 있다. GPS신호를 수신부(S110)는 위성신호들과 GPS 재머 신호등을 모두 수신, S120에서는 GPS신호에 방해를 주는 재밍 신호등을 검출하기 위하여 항재밍 소프트웨어를 구성하여 재밍신호에대해한 오류를 제거한다. S130 위성항법소프트웨어는 GPS신호들을 이용하여 NMEA 데이터를 만들어 출력하여 S150 통합항법 소프트웨어에 전달한다. 관성항법해의 구성은 6축 IMU, 관성항법 소프트웨어로 구성 되어 있다. 6축 IMU 센서 S120은 가속도센서 3축, 자이로 센서 3축 총 6축의 데이어를 출력하고 관성항법 소프테웨어 S140에 전달하고 S140은 6축 IMU 데이터 외에 지자계센서, 고도센서의 데이터를 입력 받아 위치 및 자세 등의 데이터를 출력 하여 통합항법 소프트웨어 S150에 전달한다. S150은 위성항법 해, 관성 항법 해를 통합하여 관성항법 위치, 자세 오차를 줄여주는 통합항법 해를 출력한다.
도 4는 지상 통합 시험에 관한 참고도면으로, IMU비행체시험은 비행체를 이용하여 비행 시험을 수행하는 것이며, 지상통합성능시험은 복합항법시스템의 성능을 LAB시험과 무반향챔버에서 확인하며 추가로 개발한 HIKS용 시험장비를 이용하여 시험을 수행하는 것을 의미한다.
통합항법성능시험은 LAB시험, 차량시험, 비행시험을 통해 복합항법시스템의 항법 성능을 확인하는 것이며, 인증시험은 환경시험, 전자파시험, 항공용 전원시험을 수행하는 것을 의미한다.
도 6은 다른 실시예에 의한 10축 복합 항법 시스템의 구성도로서, GNSS수신보드에서 4소자 ANT를 통하여 위성신호를 수신하고 이를 위성항법처리단에서 처리한 다음 복합항법처리블럭으로 전송하고, 6축 IMU에서 가속도 센서 3축, 자이로 센서 3축 값을 입력 받아 3축 지자계 그리고 1축 고도계로부터 센서값을 신호결합하여 관성항법처리하여 복합항법처리블럭으로 전송하며 관성항밥처리부분에서는 각 센서 데이터를 20 m/s 단위로 데이터를 갱신 시키며 갱신된 데이터는 복합항법 처리 알고리즘을 통하여 자제 위치 정보로 가공 한다. 가공된 데이터의 오차를 줄이기 위하여 위성 정보 또한 추가 하고 추가하여 정확한 자세 및 위치 정보를 출력 한다.
참고로 도 7은 약결합 방식의 INS/GNSS 통합 항법 시스템의 구성도이고, 도 8은 강결합 방식의 INS/GNSS 통합 항법 시스템의 구성도이다.
먼저, 도 7을 참조하여 약결합 방식의 기본 개념을 설명하면, GPS 신호처리와 관성항법(추측항법의 일종) 신호처리가 각각 독립적으로 이루어지는 결합방식이다.
GPS 측정 데이터가 GPS 수신기(GPS Receiver) 내의 GPS 전용 칼만 필터(Kalman Fillter)에서 독립적으로 처리된 후, 이 필터의 출력이 주기적으로 INS(Inertial Navigation System) 전용 필터(Kalman Filter)의 입력 신호로 사용된다. 구체적으로 GPS 수신기와 위치 속도 획득부(PV)를 통한 GPS 신호 처리에 의해 위치 및 속도 추정치를 획득한다.
그리고 관성 측정 유닛(IMU: Inertial Measurement Unit), 항법 프로세서와 위치속도 획득부를 통한 관성항법 신호처리에 의해 위치 및 속도 추정치를 획득한다. 그리고 병합부를 통해 상기 GPS 신호 처리에 의한 위치 및 속도 추정치와 상기 관성항법 신호처리에 의한 위치 및 속도 추정치의 차이값을 구한다.
그리고 INS 전용 필터는 상기 차이값을 오차값 추정을 위한 측정 데이터로서 이용한다. 그리고 병합부에 의해 상기 관성항법 신호 처리에 의한 위치 및 속도 추정치는 칼만 필터에 의해 얻어진 오차 추정치(Error Estimates)와 병합되어 출력된다.
GPS 신호 처리에 의한 위치(Position) 및 속도(Velocity), 공분산(Covariance) 행렬은 측정 잡음으로써 GPS 수신기 내의 GPS 전용 필터로부터 INS 전용 필터로 전달된다. 이러한 약결합 방식을 구현하는 방법에는 적용 분야에 따라 개루프(피드 포워드) 및 폐루프(피드백) 방식이 있다.
개루프 방식에서는 관성항법 장치가 칼만 필터의 존재와 관계없이 독립적으로 동작한다. 칼만 필터는 관성항법장치의 항법정보 오차를 추정하고, 수정하며, 출력한다. 수정된 파라미터 및 추정된 센서의 바이어스(Bias)/드리프트(Drift) 성분은 관성항법 장치로 되돌려지지 않는다. 관성항법 오차 모델은 항법 방정식을 테일러(Taylor) 급수 전개를 이용해 선형화시킴으로써 얻어진다. 피드백이 없으므로 관성항법 장치의 오차가 급격히 증가하게 되고, 이로 인해 테일러 급수 전개의 과정에서 무시된 항들의 영향력이 커지게 되어 전체 시스템에서 큰 오차가 발생될 가능성이 잠재한다. 이러한 종류의 결합 방식은 비교적 작은 오차만을 전파시키는 고성능 관성 센서를 사용하는 경우에 적합하고, 저가의 MEMS 관성항법 장치인 경우에는 단시간에 큰 오차를 전파시키게 되므로 실시간 오차 보정이 병행되지 않는 한 이러한 방식이 적합하지 않다.
폐루프 방식에서는 센서의 최초 출력 데이터 및 기타 관성항법 장치의 파라미터가 칼만 필터에 의해 얻어진 추정 오차(Error Estimates)를 이용해 수정되도록 한다. 이러한 폐루프 방식은 개루프 방식에 비해 관성항법 장치가 상대적으로 작은 오차만을 전파시키도록 할 수 있다. 위성항법 및 추측항법의 약결합 방식은 상대적으로 구조가 간단하고 계산이 단순하여 구현이 쉽고 많은 연산능력을 필요로 하지 않는다.
도 8은 강결합 방식의 기본 개념을 나타낸 도면으로, 강결합 방식을 설명하면, 위성항법과 추측항법의 강결합 방식에서는 INS 알고리즘의 일련의 관성항법 방정식에 의해 관성항법 장치의 최초 측정 데이터를 유용한 위치(Position), 속도(Velocity) 및 자세(Attitude) 등의 정보로 변환한다.
관성항법 방정식의 구현은 2단계의 과정을 거쳐 수행되는데, 첫번째 단계에서는 센서 몸체가 감지한 각속도를 적분하여 IMU 보디 프레임(body-frame)으로부터 ECEF(Earth-Centered Earth-Fixed) 프레임으로의 변환 행렬을 계산한다.
자이로스코프는 지구 자전에 의한 각속도와 사용자의 움직임에 의한 각속도를 감지한다. 사용자의 실제 각속도를 알아내기 위해 지구 자전속도를 보디 프레임(body-frame)으로 변환한 다음에 이를 측정된 각속도로부터 빼주어야 한다.
일단 각속도를 구한 다음에 쿼터니언(Quarternion) 접근법을 써서 변환 행렬을 계산한다. 두 번째 단계에서는 계산된 변환 행렬을 이용하여 가속도계의 측정 데이터를 IMU 보디 프레임(body- frame)으로부터 ECEF 프레임으로 회전시킨다. 가속도계의 출력은 사용자의 실제 가속도, 코리올리(Coriolis) 가속도 및 중력 가속도의 합을 나타낸다. 따라서 사용자의 실제 가속도를 도출하기 위해서, 감지된 가속도 정보에 대해 코리올리(Coriolis) 가속도 및 중력 가속도를 이용한 보상이 이루어져야 한다. 이렇게 해서 얻어진 가속도를 적분하여 위치 및 속도의 해를 구할 수 있다.
관성항법 장치의 최초 측정 데이터를 거기에 내재하는 오차를 고려하지 않고 처리한다. 이러한 오차를 수정해 주기 위하여, GPS 데이터를 측정 갱신용 신호로써 이용해 INS 출력의 오차를 추정하는 INS 필터(칼만 필터)가 사용된다. 차동 모드로 제공되는 GPS 갱신 신호에 의하여 의사 거리 측정 데이터는 INS 필터의 측정 갱신용 신호로 사용된다. 위성항법 및 추측항법의 강결합 방식은 수신된 위성신호의 수가 4개 미만인 경우에도 동작하는 장점이 있다.
참고로 도 9는 센서융합시스템의 일례를 도시한 도면이다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.
100 : 10축 복합 항법 모듈 110 : 제어부
120 : 기능성패키지 140 : 3축 지자계
150 : 1축 고도계 160 : GPS_1
200 : GPS_2 300 : 메인보드

Claims (5)

  1. 온도 보정이 되며 6축 IMU를 포함하는 기능성패키지(120)와 3축 지자계(140) 및 1축 고도계(150)를 포함하는 기능패키지;및
    상기 기능패키지의 데이터를 I2C버스로 수신하는 제어부(110);
    를 포함하고,
    상기 제어부(110)는 온도보정된 기능성패키지(120)의 데이터와 3축 지자계(140)의 출력데이터 그리고 1축고도계(150)의 출력데이터를 I2C버스로 입력받아 센서보정 알고리즘 등을 통하여 센서 신호들을 결합하고 결합한 데이터를 메인보드(300)로 출력하는 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 IMU에 사용할 수 있는 GPS_1(160);및
    실시간 위치 모듈로 동작하는 GPS_2(200);
    을 더 포함하며, 상기 메인보드(300)는 항재밍을 포함하는 통합항법보드로 10축 복합 항법 모듈(100)과 GPS_2(200)로부터 SPI신호를 수신하여 복합항법 시스템을 운영하기 위한 프로그램을 구동하도록 동작하는 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 GPS_1(160)로 수신한 GPS데이터를 UART(범용 비동기화 송수신기: Universal asynchronous receiver/transmitter)로 이용하여 출력되는 병렬데이터를 직렬 방식으로 전환하여 제어부(110)로 전송하는 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 IMU는 터널, 건물 내부 또는 전자적 간섭이 있을 때와 같이 GPS_1신호를 사용할 수 없을 때 별도의 실시간 위치 모듈로 동작하는 GPS_2(200)을 사용하여 GPS위치 정보를 수신하는 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 소프트웨어는
    인가된 재밍 신호를 제거하기 위한 항재밍신호처리 알고리즘을 수행하는 소프트웨어인 항재민 소프트웨어와 재밍신호가 제거된 위성신호를 처리하여 위성항법해를 구하기 위한 소프트웨어인 위성항법소프트웨어와 관성측정기에서 측정된 가속도와 각속도 정보를 사용하여 관성항법 해를 구하는 소프트웨어인 관성항법소프트웨어 그리고 위성항법해와 관성항법해를 통합하여 오차가 보정된 복합항법 해를 구하기 위한 소프트웨어인 통합항법 소프트웨어를 포함하는 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템.
















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