[논문]회전하는 지능 포탄의 GPS/INS 통합 항법 시스템 설계

김정원; 강희원; 정호철; 황동환; 이상정; 이태규; 송기원

회전하는 지능 포탄의 GPS/INS 통합 항법 시스템 설계
GPS/INS Integrated Navigation Systems Design for Spinning Smart Munitions 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.12 no.5, 2009년, pp.615 - 621

김정원 (한국항공우주연구원) , 강희원 (충남대학교 전자공학과) , 정호철 (충남대학교 전자공학과) , 황동환 (충남대학교 전자공학과) , 이상정 (충남대학교 전자공학과) , 이태규 (국방과학연구소) , 송기원 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Since GPS receivers and INS algorithms do not work properly in the spinning vehicles due to change of the GPS signal and excess of the measurement limitation of the gyroscope, conventional GPS/INS integrated navigation systems do not provide accurate navigation outputs. This paper proposes a design method for GPS/INS integrated navigation systems of spinning vehicles. A special GPS receiver with a signal tracking loop for changed GPS signal caused by spinning and an INS with a roll estimation method are configured and the conventional integration filter is combined. The proposed method was verified through comparison of the navigation results. The result of the proposed method for the spinning vehicle was similar to that of the conventional navigation system without spinning.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 회전하는 지능 포탄의 GPS/INS 통합 항법 시스템의 설계 방법을 제안하였다. 제안한 방법을 이용하면 회전에 의하여 발생하는 문제를 GPS 수신기와 INS에서 제거한 후 종래와 같이 통합 필터를 구성할 수 있다.
본 논문에서는 회전하는 지능포탄과 같은 항체를 대상으로 강결합 방식의 GPS/INS 통합 항법 시스템 설계 방법을 제안하였다. 회전운동으로 인한 문제를 해결하기 위하여 회전에 의하여 변화된 신호를 추적할 수 있는 새로운 형태의 GPS 신호 추적 루프를 구성하고 INS의 롤 추정 기법을 사용하였다.
유도기능이 없는 재래식 무기는 긴 유효거리를 가지며, 폭발력이 강하고 비용이 저렴하다는 장점이 있지만 유도 무기에 비해 정확도가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 이를 보완하기 위하여 재래식 무기에 유도기능을 추가하여 높은 정확도를 가지는 유도무기를 얻고자 하고 있다. 대표적인 것으로 폭격기에서 투하되는 자유 낙하 폭탄에 GPS/INS 통합 항법 시스템을 탑재하여 원하는 목표물을 타격할 수 있도록 개발된 무기인 JDAM(Joint Direct Attack Munitions)을 들 수 있으며, 이미 실전에 배치되어 있다.

제안 방법

일반적인 GPS 수신기에서는 회전에 의하여 변화된 신호로부터 통합 시스템에 필요한 의사거리 또는 위치, 속도 정보를 계산할 수 없는데, 회전 추적루프를 추가함으로써 수신기의 의사거리 계산, 위치 계산이 가능하다. IMU의 자이로 측정 범위를 초과하는 롤축 회전에 대하여 강제조건, 비직교 센서 배치 등을 사용하여 롤각을 계산한다. 모의실험에서 회전하는 경우 제안한 방법을 사용하고, 회전하지 않는 경우 종래의 방법을 사용하였을 때, 두 경우의 위치 차이가 2m이내 임을 볼 수 있었다.
이때 항체의 사출속도는 1,000m/s, 사출각은 75도이며, 이 궤적을 기준으로 회전 운동할 경우와 회전하지 않을 경우의 GPS 신호와 IMU 측정치를 생성하였다. Fig.
제안한 방법을 적용한 경우에는 모의실험에 사용하는 GPS 신호와 IMU 측정치에 회전의 영향이 포함되도록 하였고, 일반적인 방법을 사용하는 경우에는 회전이 없는 경우의 GPS 신호와 IMU 측정치를 생성하였다. 전술한 바와 같이 항체가 1～2Hz로 회전하며 회전주파수가 높을수록 일반수신기의 항법 성능이 나빠지므로 3Hz로회전하는 경우에 대하여 제안한 구조의 성능을 평가 하였다. Fig.
본 논문에서는 회전하는 지능 포탄의 GPS/INS 통합 항법 시스템의 설계 방법을 제안하였다. 제안한 방법을 이용하면 회전에 의하여 발생하는 문제를 GPS 수신기와 INS에서 제거한 후 종래와 같이 통합 필터를 구성할 수 있다. 일반적인 GPS 수신기에서는 회전에 의하여 변화된 신호로부터 통합 시스템에 필요한 의사거리 또는 위치, 속도 정보를 계산할 수 없는데, 회전 추적루프를 추가함으로써 수신기의 의사거리 계산, 위치 계산이 가능하다.
6과 같이 실험시스템을 구성하여 제안한 방법을 적용한 경우와 일반적인 방법을 사용한 경우의 통합 항법 결과를 비교하였다. 제안한 방법을 적용한 경우에는 모의실험에 사용하는 GPS 신호와 IMU 측정치에 회전의 영향이 포함되도록 하였고, 일반적인 방법을 사용하는 경우에는 회전이 없는 경우의 GPS 신호와 IMU 측정치를 생성하였다. 전술한 바와 같이 항체가 1～2Hz로 회전하며 회전주파수가 높을수록 일반수신기의 항법 성능이 나빠지므로 3Hz로회전하는 경우에 대하여 제안한 구조의 성능을 평가 하였다.
추가된 회전 추적 루프는 입력 신호에 포함된 항체의 회전 속도를 추정하여 회전에 의하여 변화된 신호를 추적하며 판별기, 루프필터, NCO(Numerical Controlled Oscillator)로 이루어져 있다. 판별기는 항체의 회전각 또는 속도와 추정한 값과의 차이를 계산하며, 루프 필터는 오차 보상을 위한 NCO명령을 생성하며, NCO는 추정한 회전각 또는 속도를 기반으로 복제 신호를 생성한다.
일반적인 항체의 GPS/INS 통합항법 시스템에서는 INS의 초기 정렬을 통하여 자세를 구한 후 GPS 수신 기가 신호 획득 및 위치해 계산을 완료하면 통합 항법을 수행하지만, 회전하는 지능포탄은 운영특성상 일반적인 절차로 통합항법을 수행할 수 없다. 포 발사전 GPS 가시 위성 번호, 각 위성별 항법 데이터 정보 등을 수집하고, IMU의 바이어스 등을 대략적으로 추정한다. 포탄이 포에 장전 된 후에는 포신의 자세 변화에 따라 자세가 바뀌고, 포 발사 초기의 20～30Hz의고회전으로 인하여 이전에 구한 자세를 사용할 수 없기 때문에 INS의 초기정렬은 수행하지 않는다.
본 논문에서는 회전하는 지능포탄과 같은 항체를 대상으로 강결합 방식의 GPS/INS 통합 항법 시스템 설계 방법을 제안하였다. 회전운동으로 인한 문제를 해결하기 위하여 회전에 의하여 변화된 신호를 추적할 수 있는 새로운 형태의 GPS 신호 추적 루프를 구성하고 INS의 롤 추정 기법을 사용하였다. 소프트웨어 기반의 GPS 신호와 IMU 데이터를 생성하고 새로운 형태의 신호 추적 루프를 추가한 SDR(Software Defined Radio) 기반의 강결합 GPS/INS 통합 항법 시스템을 구성하고 항법 성능을 평가하여 제안한 방법의 유효성을 보였다.

데이터처리

본 논문에서 제안한 통합 항법 시스템 설계 방법을 검증하기 위하여 Fig. 6과 같이 실험시스템을 구성하여 제안한 방법을 적용한 경우와 일반적인 방법을 사용한 경우의 통합 항법 결과를 비교하였다. 제안한 방법을 적용한 경우에는 모의실험에 사용하는 GPS 신호와 IMU 측정치에 회전의 영향이 포함되도록 하였고, 일반적인 방법을 사용하는 경우에는 회전이 없는 경우의 GPS 신호와 IMU 측정치를 생성하였다.

성능/효과

IMU의 자이로 측정 범위를 초과하는 롤축 회전에 대하여 강제조건, 비직교 센서 배치 등을 사용하여 롤각을 계산한다. 모의실험에서 회전하는 경우 제안한 방법을 사용하고, 회전하지 않는 경우 종래의 방법을 사용하였을 때, 두 경우의 위치 차이가 2m이내 임을 볼 수 있었다.
회전운동으로 인한 문제를 해결하기 위하여 회전에 의하여 변화된 신호를 추적할 수 있는 새로운 형태의 GPS 신호 추적 루프를 구성하고 INS의 롤 추정 기법을 사용하였다. 소프트웨어 기반의 GPS 신호와 IMU 데이터를 생성하고 새로운 형태의 신호 추적 루프를 추가한 SDR(Software Defined Radio) 기반의 강결합 GPS/INS 통합 항법 시스템을 구성하고 항법 성능을 평가하여 제안한 방법의 유효성을 보였다.

후속연구

이것은 제안한 기법을 적용하면 GPS 수신기와 INS에서 회전하지 않을 경우와 유사한 측정치를 얻을 수 있기 때문이다. 비교를 위하여 통합 필터의 잡음 공분산을 두 경우 모두 같은 값을 사용하였는데, 제안한 기법을 적용하였을 때 얻을 수 있는 측정치의 오차 특성을 고려하여 다시 선정한다면 더 나은 항법 결과를 얻을 수 있을 것으로 본다.
추후에는 회전항체에 대하여 재밍 대응 성능이 매우 우수하다고 알려진 심층결합 GPS/INS 통합 항법 시스템의 연구를 수행할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적대적 전파 위협에 대응하여 사용하는 시스템은?	군용으로 개발된 GPS(Global Positioning System)는전세계 어디서나 날씨에 관계없이 정확한 위치, 속도, 시각 정보를 얻을 수 있어 여러 가지 장비에 사용되고 있다. 유도무기도 정확한 위치 정보를 얻기위하여 GPS 를 사용하고 있으며, 적대적 전파 위협에 대응하기위 하여 INS(Inertial Navigation System)를 결합한 GPS/INS 통합 항법 시스템을 사용한다. 대표적으로 토마호크 (Tomahawk) 미사일 등이 GPS/INS 통합 항법 시스템을 사용하는 유도무기이며, 이미 걸프전에서 실효성이 입증된 바 있다[1].
	GPS/INS 통합 항법 시스템을 사용하며 걸프전에서 실효성이 입증된 바 있는 대표적인 유도무기는 무엇이 있는가?	유도무기도 정확한 위치 정보를 얻기위하여 GPS 를 사용하고 있으며, 적대적 전파 위협에 대응하기위 하여 INS(Inertial Navigation System)를 결합한 GPS/INS 통합 항법 시스템을 사용한다. 대표적으로 토마호크 (Tomahawk) 미사일 등이 GPS/INS 통합 항법 시스템을 사용하는 유도무기이며, 이미 걸프전에서 실효성이 입증된 바 있다[1].
	재래식 무기에 유도기능을 추가하여 높은 정확도를 가지는 유도무기에는 대표적으로 무엇이 있는가?	이를 보완하기 위하여 재래식 무기에 유도기능을 추가하여 높은 정확도를 가지는 유도무기를 얻고자 하고 있다. 대표적인 것으로 폭격기 에서 투하되는 자유 낙하 폭탄에 GPS/INS 통합 항법 시스템을 탑재하여 원하는 목표물을 타격할 수 있도록 개발된 무기인 JDAM(Joint Direct Attack Munitions) 을 들 수 있으며, 이미 실전에 배치되어 있다. 우리나 라에서도 JDAM과 유사한 무기를 개발하고 있고 빠른 시일 내에 실전에 배치될 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (16)

G. T. Schmidt, 'INS/GPS Technology Trends for Military Systems', The Draper Technology Digest, Vol. 3, pp. 5-13, 1999
J. R. Dowdle and K. W. Flueckiger, 'A GPS/INS Guidance System for Navy 5' Projectile', Proceedings of 52nd ION AM, pp. 312-325, June, 1996
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A. K. Tetesky, and F. E. Mullen, 'Effects of Platform Rotation on GPS with Implications for Simulators', Proceedings of the ION GPS-96, pp. 1917-1925, Sep., 1996
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J. H. Doty and T. D Bybee, 'A Demonstration of Advanced Spinning-Vehicle Navigation', Proceedings of the ION NTM 2004, pp. 573-584, Jan., 2004
R. H. Cantwell and R. Ventresca, 'GPS Continuous Track on a Spinning Vehicle with Multiple Patch Antennas', Proceedings of the ION GPS'99, pp. 901-906, Sep., 1999
B. S. Davis, 'Using Low-Cost MEMS Accelerometers and Gyroscopes as Strapdown IMUs on Rolling Projectiles', Proceedings of IEEE Position Location and Navigation Symposium, pp. 887-896, 1998
조종철, 'GNSS 수신기를 이용한 회전체의 회전속도 추정 기법', 충남대학교 대학원 전자공학과 석사 학위 논문, 2007
정호철, 김정원, 황동환, 이상정, 이태규, 송기원, 'INS 속도와 다중 상관기를 이용한 고속 항체용 GPS 수신기의 빠른 신호 획득 기법', 제어 로봇 시스템 학회 논문지, 14권, 6호, pp. 603-607, 2008 6월

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김정원, 조종철, 황동환, 이상정, 'GNSS 신호를 이용한 회전체의 롤 회전 속도 추정 기법', 제어로봇 시스템 학회 논문지, 14권 7호, pp. 689-694, 2008년 7월

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J. B. Tsui, Fundamentals of Global Positioning System Receivers A Software Approach, Wiley-Interscience, 2004
R. E. Best, Phase-Locked Loops - Design, Simulation, and Applications, McGraw-Hill, 1999
D. J. Lucia, Estimation of the Local Vertical State for a Guided Munition Shell with and Embedded GPS/Micro-Mechanical Inertial Navigation System, M. S. Thesis, Department of Aeronautics and Astronautics, Massachusetts Institute of Technology, Dec. 1995
이상정 외 17인, '지능포탄의 극한동적환경에 적응하는 GPS/INS 통합항법알고리즘 연구', 국방과학연구소 기초연구과제 보고서, 2008 12월

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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