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문제 정의
- 본 논문에서는 GAK 항법 모듈의 차량 시험결과를 제시하였다. 항법 장치의 성능을 평가하기 위해서 고정밀 INS를 차량에 탑재하여 항법모듈의 항법 결과와 비교하였다.
- 본 논문에서는 비행 적합성 시험에 앞서 고정밀 INS를 이용하여 수행한 항법 모듈의 차량 시험 결과를 제시한다. 차량 시험의 목적은 크게두 가지로 첫째는 항법 모듈 하드웨어 및 소프트웨어의 기본 동작 점검이다.
가설 설정
- 성능 시험 결과를 나타낸다. GAK가 목표 지점에 도달하기 직전 60 초 동안 재밍 (jamming)에 의하여 GPS 정보를 사용할 수 없는 시나리오를 가정하였다. 시험 결과는 각 축의 항법 오차에 대하여 RSS(Root-Sum-Square)9 취한값이다.
제안 방법
- 차량 시험의 목적은 크게두 가지로 첫째는 항법 모듈 하드웨어 및 소프트웨어의 기본 동작 점검이다. 둘째는 항법 모듈과고정밀 INS의 항법 결과를 비교를 통한 항법 성능의 검증이다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
- 항법 모듈용 MEMS IMUe 지구 자전각속도를 측정할 수 없으므로 IMU 정보만을 이용하여 방위각 정렬을 수행할 수 없다. 따라서 IMU의 가속도계 정보를 이용하여 수평축 정렬을 수행하고 방위각 정렬은 내장한 GPS 수신기또는 외부에서 입력한 방위각 정보를 초기 방위각으로 설정하여 수행한다. 순수 항법 알고리즘은 항체의 위치, 속도 및 자세를 계산한다.
- 시험 종료 전 5분간의 결과이다. 실제 GAK 의 운용 시 투하 이후 목표 지점까지의 최대 비행 시간은 5분 이내이므로 칼만 필터의 상태 변수가 충분히 수렴한 이후 탄착 직전의 항법 모듈의 성능을 확인하였다. 시험 결과에서 항법 오차는 각각의 통합 모드에 대한 후처리 결과와 고정밀 INS에서 획득한 기준 궤적과의 차이를 나타낸다.
- 한다[16]. 이러한 요구 조건을 만족하기 위하여 통합 모듈의 운용 소프트웨어는 상용의 실시간 운영 체제하에서 멀티스레드(multi-thread) 구조를 기반으로 설계하였다.
- 전체 소프트웨어는 FCC 스레드, 초기 정렬 스레드, 자세 계산 스레드, 속도 및 위치 계산 스레드, 통합 칼만 필터 스레드, GPS 스레드와 데이터 입출력 처리를 위한 ISR로 구성된다. 각각의 스레드는 실시간 운영체제에서 지원하는 세마포어(semaphore) 서비스에 의하여 동기화를 수행하며 각 스레드는 구조체 형태의 전역 변수와 메시지 큐(message queue)를 이용하여 데이터 교환을 수행한다.
- 랩 테스트는 항법알고리즘의 설계 및 성능 분석을 위하여 모델링및 모의 시험 (M&S) 툴을 이용한 시험과 실제운용 환경을 모사하기 위한 HILS를 통한 성능평가로 나눌 수 있다. 필드 테스트는 항법 모듈만 단독으로 탑재하여 수행하는 차량 시험과 GAK의 체계 조립 이후 수행하는 비행 적합성시험 (captive flight test) 및 실제 투하 시험으로 구성된다.
- 및 고정밀 INS의 모습을 나타낸다. 항법 모듈은 FCU와 독립적으로 시험이 가능하도록 별도의 시험용 케이스를 제작하여 설치하였다. 항법모듈과 고정밀 INS는 치구를 제작하여 시험 차량의 바닥에 설치하였으며 IMU의 축 방향과 고정밀 INS의 각 축의 방향이 일치하도록 장착하였다.
- 항법 모듈의 실시간 소프트웨어는 GPS 자세정보의 가용 여부에 따라 자동으로 통합 모드의전환을 수행하지만 본 논문에서는 GPS 자세 측정치의 효용성을 확인하기 위하여 각각의 통합모드에 따른 항법 성능을 비교하기 위해 실시간항법 결과와 함께 획득한 1MU와 GPS 수신기의데 이 터 를 후 처리 (off-line processing) 하여 성 능분석을 수행하였다. 후처리 프로그램과 실시간프로그램에 사용하는 항법 알고리즘의 코드는 동일한 것을 사용하였다.
- 제시하였다. 항법 장치의 성능을 평가하기 위해서 고정밀 INS를 차량에 탑재하여 항법모듈의 항법 결과와 비교하였다. 먼저 항법 모듈의 실시간 동작을 통하여 설계한 항법 모듈의 하드웨어 및 소프트웨어의 동작이 정상적으로 수행됨을 확인하였다.
- CPU 부는 항법 소프트웨어를 저장하기 위하여 Flash ROM을 사용하며 실시간연산 데이터를 저장하기 위하여 SRAM을 사용한다. 항법 컴퓨터는 FCC 및 센서와의 인터페이스를 위하여 4 채널의 UART 인터페이스와 2 채널의 SDLC 인터페이스를 설계하였다. U* ART PXA255에 내장되어 있는 것을 사용하며 SDLC 는 Infineon 사의 PEF20532 통신 컨트롤러를 사용한다.
- 항법 모듈은 FCU와 독립적으로 시험이 가능하도록 별도의 시험용 케이스를 제작하여 설치하였다. 항법모듈과 고정밀 INS는 치구를 제작하여 시험 차량의 바닥에 설치하였으며 IMU의 축 방향과 고정밀 INS의 각 축의 방향이 일치하도록 장착하였다.
대상 데이터
- GPS 안테나는 Sensor System사의 S67-1575-39 항공기용 GPS 안테나를 사용하였다. 자세 측정을 위하여 시험 차량의 지붕에 3개의 안테나를 설치하였는데 주 안테나를 기준으로 부 안테나 1은 시험차량의 롤축에, 부 안테나 2는 시험 차량의 피치축에 설치하였다.
- GPS 안테나는 Sensor System사의 S67-1575-39 항공기용 GPS 안테나를 사용하였다. 자세 측정을 위하여 시험 차량의 지붕에 3개의 안테나를 설치하였는데 주 안테나를 기준으로 부 안테나 1은 시험차량의 롤축에, 부 안테나 2는 시험 차량의 피치축에 설치하였다. 그림 3과 같이 주 안테나에서 수신한 신호는 분배기(distributor)를 사용하여 항법 모듈의 주 GPS 수신기와 부 GPS 수신기에서 공유한다.
이론/모형
- MEMS IMU는 여러 가지장점으로 인하여 현재 정밀 유도 무기의 적용에관한 연구가 활발히 진행 중이다[9][10]. GAK 항법 모듈용 IMU는 성능 및 물리적 규격을 고려하여 BAE Systems 사의 MEMS IMU를 사용하였다. BAE Systems의 MEMS IMU는 항법, 유도조종 및 자세 제어 등의 적용을 목적으로 개발된 전술급 IMU이다.
- 성능 평가용 기준 궤적 생성을 위한 고정밀 INS는 Honeywell 사의 H-726 MAPS(Modular Azimuth Position System)를 사용하였다. MAPS 는 전차 및 자주포에 탑재하여 항체의 위치와 포신의 정확한 방위각(azimuth)과 고각(elevation)을 제공하기 위해 사용한다.
- 통합 칼만 필터 알고리즘은 GPS 수신기의 위치, 속도 및 자세 정보를 측정치로 사용하여 항법 오차 및 IMU 오차를 추정한다. 항법 모듈의 칼만 필터는 약결합 방식의확장 칼만 필터 구조로서 오차 모델은 위치 오차, 속도 오차, 자세 오차, 자이로 및 가속도계바이어스 오차의 15개의 상태 변수를 고려하였다 [14], 칼만 필터의 샘플링 주기는 1초이며 수치연산의 안정성을 위하여 U-D 공분산 분해 알고리즘을 사용한다[15].
- RS-232 방식의 UART 채널은 항법 컴퓨터의 모니터링에 사용하며 RS-422 방식의 UART채널은 IMU 데이터 수신에 사용한다. 항법 컴퓨터와 FCC의 통신은 1 Mbps의 전송 속도를 갖는 RS-422 방식의 SDLC 인터페이스를 사용한다.
성능/효과
- 시험 결과의 분석을 통하여 GPS 자세 정보를 측정치로 사용하였을 경우 방위각 정확도가 크게 향상됨을 확인하였다. 또한 coasting 성능 시험 결과를 통하여 통합 항법을 통한 IMU 오차의 추정으로 인하여 재밍 환경에서 INS 단독 항법의 경우에 비하여 더 우수한항법 성능을 제공함을 볼 수 있다. 추후 연구로서 항법 모듈을 FCU에 통합한 이후 비행 시험을 통한 성능 평가를 수행할 예정이다.
- 항법 장치의 성능을 평가하기 위해서 고정밀 INS를 차량에 탑재하여 항법모듈의 항법 결과와 비교하였다. 먼저 항법 모듈의 실시간 동작을 통하여 설계한 항법 모듈의 하드웨어 및 소프트웨어의 동작이 정상적으로 수행됨을 확인하였다. 시험 결과의 분석을 통하여 GPS 자세 정보를 측정치로 사용하였을 경우 방위각 정확도가 크게 향상됨을 확인하였다.
- 76° 미만이었다. 시험 결과 coasting 수행 이전에 수행한 통합 항법에 의하여 IMU의 오차가 효과적으로 추정되었음을 확인하였다.
- 시험 결과에서 GPS/INS 통합은 실제로는 2D ADGPS/INS 통합 또는 3D AGPS/1NS 통합이 가능한 경우에도 GPS 자세 정보를 사용하지 않고 통합 항법을 수행한 결과이며 같은 방법으로 2D ADGPS/INS 통합 결과는 기저선2에서 구한 롤각 정보를 사용하지 않고 통합 항법을 수행한 결과이다. 시험 결과를 살펴보면 GPS/INS 모드에 비하여 ADGPS/INS 모드에서 특히 방위각성능이 향상된 것을 볼 수 있다. 따라서 투하 직후 초기 정렬 오차가 존재 하더라도 목표 지점까지 항법을 수행하는 동안 GPS의 자세 정보를 이용하여 항법 모듈의 자세 오차를 더욱 정확하게 추정할 수 있을 것으로 예상한다.
- 시험 결과에서 항법 오차는 각각의 통합 모드에 대한 후처리 결과와 고정밀 INS에서 획득한 기준 궤적과의 차이를 나타낸다. 시험 결과에서 GPS/INS 통합은 실제로는 2D ADGPS/INS 통합 또는 3D AGPS/1NS 통합이 가능한 경우에도 GPS 자세 정보를 사용하지 않고 통합 항법을 수행한 결과이며 같은 방법으로 2D ADGPS/INS 통합 결과는 기저선2에서 구한 롤각 정보를 사용하지 않고 통합 항법을 수행한 결과이다. 시험 결과를 살펴보면 GPS/INS 모드에 비하여 ADGPS/INS 모드에서 특히 방위각성능이 향상된 것을 볼 수 있다.
- 먼저 항법 모듈의 실시간 동작을 통하여 설계한 항법 모듈의 하드웨어 및 소프트웨어의 동작이 정상적으로 수행됨을 확인하였다. 시험 결과의 분석을 통하여 GPS 자세 정보를 측정치로 사용하였을 경우 방위각 정확도가 크게 향상됨을 확인하였다. 또한 coasting 성능 시험 결과를 통하여 통합 항법을 통한 IMU 오차의 추정으로 인하여 재밍 환경에서 INS 단독 항법의 경우에 비하여 더 우수한항법 성능을 제공함을 볼 수 있다.
후속연구
- 시험 결과를 살펴보면 GPS/INS 모드에 비하여 ADGPS/INS 모드에서 특히 방위각성능이 향상된 것을 볼 수 있다. 따라서 투하 직후 초기 정렬 오차가 존재 하더라도 목표 지점까지 항법을 수행하는 동안 GPS의 자세 정보를 이용하여 항법 모듈의 자세 오차를 더욱 정확하게 추정할 수 있을 것으로 예상한다.
- 또한 coasting 성능 시험 결과를 통하여 통합 항법을 통한 IMU 오차의 추정으로 인하여 재밍 환경에서 INS 단독 항법의 경우에 비하여 더 우수한항법 성능을 제공함을 볼 수 있다. 추후 연구로서 항법 모듈을 FCU에 통합한 이후 비행 시험을 통한 성능 평가를 수행할 예정이다.
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