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외란을 고려한 스트랩다운 관성항법장치 자이로 바이어스 교정기법
A Study on the SDINS's Gyro Bias Calibration Method in Disturbances 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.12 no.3, 2009년, pp.368 - 377  

이윤선 (국방과학연구소) ,  이상정 (충남대학교)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper we study the gyro bias calibration method of SDINS(Strap-Down Inertial Navigation System). Generally, SDINS's calibration is performed in 2-axis(or 3-axis) rate table with chamber for varying ambient temperature. We assumed that the majority of calibration-parameter except for gyro bia...

주제어

#관성항법장치   #교정   #등가선형변환  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • . 그래서 본 연구에서는 자이로 바이어스를 제외한 변수에 대한 교정기법에 대해서는 생략하도록 하고, 자이로 바이어스 교정기법에 대해 논하도록 한다.
  • 본 논문에서는 관성항법장치의 교정시 다른 오차요소에 비해 추정이 어렵고, 외란에 의해 추정오차가 큰 수평축 자이로 바이어스 추정기법에 대해 논하였다. 본 논문에서 가정한 외란으로는 가속도계에 회전이 인가되는 경우 발생하는 가속도계 바이어스 변화와 관성센서 뭉치를 보호하는 방진기의 열적 팽창/수축등에 의해 발생하는 관성센서 뭉치 회전이다.
  • 특히 다른 오차요소에 비해 자이로 바이어스 오차는 측정이 용이하지 않고 외란(관성센서 뭉치의 교정중 움직임, 가속도계 오차) 등에 의해 잘못 추정할 확률이 높다. 이에 본 논문에서는 정밀한 자이로 바이어스 교정을 위해 고려해야 할 외란을 살펴보고, 외란의 영향을 최소화 할 수 있는 방법을 고안하였다.

가설 설정

  • 관성항법장치의 속도 및 자세 항법방정식은 항법좌표계(N-frame)상에서 정의되는 ENU-frame을 가정했으며 식 (3), (4)와 같다[1～3].
  • 먼저 외란이 없는 경우 교정중의 Roll 각과 Pitch 각의 변화를 살펴보면 다음 Fig. 5, Fig. 6과 같으며, 초기 방위각 오차가 βx(0.0016/T)에 해당한다고 가정한다.
  • 본 논문에서 가정한 관성항법장치의 센서 오차는 크게 바이어스, 척도계수, 비정렬 오차로 구분할 수 있으며, 가속도계와 자이로의 동체좌표계(B-frame)에서 정의되는 센서오차는 식 (1), 식 (2)와 같다[3].
  • 본 논문에서는 관성항법장치의 교정시 다른 오차요소에 비해 추정이 어렵고, 외란에 의해 추정오차가 큰 수평축 자이로 바이어스 추정기법에 대해 논하였다. 본 논문에서 가정한 외란으로는 가속도계에 회전이 인가되는 경우 발생하는 가속도계 바이어스 변화와 관성센서 뭉치를 보호하는 방진기의 열적 팽창/수축등에 의해 발생하는 관성센서 뭉치 회전이다. 이러한 외란이 동시에 존재하는 경우 기존 논문에서 제시한 자세 오차 추정기법이나 속도오차 추정기법을 사용하는 경우에는 매우 큰 자이로 바이어스 추정오차가 발생할 수 있음을 보였다.
  • 시뮬레이션에서는 자이로 바이어스를 제외한 나머지 교정변수는 보상되었다고 가정하였으므로, 수평축 자이로 바이어스를 βx = 0.0016/T, βy = -0.0034/T로 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
  • 자이로 바이어스를 교정하기 위해서 본 연구에서는 일반적인 두 위치 교정기법을 사용한다고 가정하였다[3,5].
  • 정의) XbvIN, XbhIN가 동형(Isomorphic)이고, YbvRT , YbhRT가 동형인 동일 실수체(Scalar Field)상의 선형공간에 있다고 가정한다. 만약 A = W-1BU와 B = WBU-1인 U : XbvIN → XbhIN, W : YbvRT → YbhRT의 동형성이 존재하면, 선형변환(A : XbvIN → YbvRT ) 와(B : XbhIN → YbhRT)는 동형등가(Isomorphically Equivalent)이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
관성항법장치란 무엇인가? 관성항법장치(INS : Inertial Navigation System)는 관성센서(자이로 및 가속도계)를 이용하여 항체의 정밀한 위치, 속도, 자세, 각속도, 가속도 정보를 실시간 제공하는 장치로서, 지상, 해상, 항공, 우주 분야 등 다양한 무기체계에 적용되고 있다. 이러한 관성항법장치는 요구되는 항법정확도에 따라 저급, 중급, 고급으로 분류되고, 주로 관성센서의 정밀도에 따라 나뉘어진다.
관성센서의 정밀도를 판단하는 기준은 어떻게 분류되는가? 관성센서의 정밀도를 판단하는 기준은 관성항법장치 사용 환경에 따라 조금씩 다르지만, 통상 확정적 (Deterministic) 오차와 확률통계적(Stochastic) 오차로 분류하고 확률통계적 오차의 시간에 따른 분산오차를 정의하여 관성센서의 정밀도 판단 기준으로 삼는다. 그러나 일반적으로 관성센서의 확정적 오차와 확률통계적 오차를 명확히 구분하기 어려우며, 확정적 오차를 구분하여 검출하는 기법을 교정이라 부른다[1～3].
관성항법장치 시스템에 대한 교정기법이 반드시 필요한 이유는? 이러한 관성센서를 장착한 관성항법장치는 각각의 관성센서 오차 이외에도 3축 자이로와 3축 가속도계를 장착한 관성센서 뭉치(ISA : Inertial Sensor Assembly) 에서 발생되는 오차와 관성센서의 신호처리 과정에서 발생하는 오차도 나타난다. 그래서 관성항법장치 시스템에 대한 교정기법이 반드시 필요하다.
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참고문헌 (9)

  1. Kenneth R. Britting, 'Inertial Navigation Systems Analysis', John Wiley & Sons, Inc., 1971 

  2. George M. Siouris, 'Aerospace Avionics Systems', Academic Press, Inc., 1993 

  3. Robert M. Rogers, 'Applied Mathematics in Integrated Navigation Systems', American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 2007 

  4. P. G., Savage, 'Calibration Procedures for Laser Gyro Strapdown Inertial Navigation Systems', Proceedings of the 9th Annual Electro-Optics/Laser Conference and Exhibition, Anaheim, California, 1977 

  5. J. W. Diesel, 'Calibration of a Ring Laser Gyro Inertial Navigation System', Proceedings of the 13th Biennial Guidance Test Symposium, Vol. I, Holloman AFB, New Mexico, 1987 

  6. J. W. Diesel, 'Calibration of Strapdown Inertial Systems', First International Symposium on Inertial Technology in Beijing, China, 1989 

  7. L. Camberlein and F. Mazzanti, 'Calibration Technique for Laser Gyro Strapdown Inertial Navigation Systems', Symposium Gyro Technology, Stuttgart, Germany, 1985 

  8. Oleg S. Salychev, 'Inertial Systems in Navigation and Geophysics', Bauman MSTU Press, Moscow, 1988 

  9. A. W. Naylor and G. R. Sell, 'Applied Mathematical Sciences Volume 40 ; Linear Operator Theory in Engineering and Science', Springer-Verlag, 1982 

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