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레이저 관성항법장치 초기정렬 성능 분석
Performance Analysis on the Initial Alignment of Laser Inertial Navigation System 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.12 no.5, 2009년, pp.622 - 635  

김현석 (국방과학연구소) ,  김천중 (국방과학연구소) ,  이태규 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Laser Inertial Navigation System(LINS) consists of Ring Laser Gyroscopes(RLG) and accelerometers. RLG has a lock-in region in which there is zero output for input angular rates less than about 0.1deg/sec. The lock-in region is generated by the imperfect mirrors in RLG. To avoid the lock-in region, a...

주제어

#초기 정렬   #관성항법장치   #디더 운동   #정현파 측정치  

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

문제 정의

  • 본 논문에서는 LINS의 초기정렬에 대한 성능분석 결과를 제시하였다. 앞에서 언급한 바와 같이 LINS는 광학식 자이로인 RLG를 탑재한 관성항법장치로서 일반적으로 사용되는 기계식 자이로인 DTG 혹은 광학식 자이로인 FOG를 탑재한 관성항법장치와 다르게 RLG 고유의 특성인 lock-in 영역을 제거하기 위해서 강제로 RLG에 인가되는 정현파 각속도 진동인 Dither 운동이 RLG/가속도계 측정치에 포함되어 나타난다.
  • 본 논문에서는 Trapping 기법을 적용한 LINS의 초기 정렬 성능분석 결과를 제시한다. LINS는 일반적으로 FOG(Fiber Optic Gyroscope), DTG(Dynamically Tuned Gyroscope) 등을 적용한 관성항법장치와 다르게 RLG/가속도계에서 출력되는 각속도/가속도 측정치에 Dither 운동에 의한 정현파 운동성분이 포함되어 나타난다.
  • 이러한 정현파 운동성분은 항법 계산주기에 따라 측정치에 포함된 정현파 운동성분의 주파수도 변하기 때문에 초기정렬 성능을 고려한 항법 계산주기를 선정하여야 한다. 본 논문에서는 이러한 LINS의 측정치 특성을 고려하여 항법 계산주기에 따라 LINS 측정치에 포함되어 나타나는 Dither 운동성분이 초기정렬 성능에 어떠한 영향을 미치는 가를 이론적으로 분석하고 이를 검증하기 위한 시뮬레이션 결과를 제시한다. 시뮬레이션은 LINS에서 획득된 측정치를 후처리하여 시뮬레이션을 수행하였다.
  • 본 논문에서는 이러한 사실을 근거로 하여 Dither 운동에 의하여 RLG/가속도계 측정치에 포함되어 나타나는 정현파 운동이 항법 계산주기의 변화에 따라 LINS 초기정렬 성능에 어떠한 영향을 미치는 가를 이론적으로 분석하였으며 분석결과를 검증하기 위하여 후처리된 실측치를 이용한 시뮬레이션 수행결과를 제시하였다. 분석결과 LINS의 초기정렬 성능은 항법 계산주기에 의하여 크게 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다.
  • 본 절에서는 관성센서에서 출력되는 신호와 항법을 수행하기 위하여 생성되는 주기적인 이산신호와의 관계를 정리한다. 관성센서에서 출력되는 연속신호를 xc(t)라 하고 이를 항법에 이용하기 위하여 Ts초 마다 일정한 주기로 신호를 샘플링하다고 가정하자.
  • 본 절에서는 정렬 루프의 절점 주파수 변화에 따른 정렬 성능을 분석한다. 앞에서 언급한 바와 같이 정렬 루프 자체가 저역통과 필터 특성을 가지고 있으므로 절점 주파수를 낮추는 것은 저역 통과 특성을 강화하는 것으로 가속도계 및 자이로 측정치에 대한 고주파 성분을 제거하고 안정적으로 정렬을 수행하기 위함에 목적이 있다.
  • 본 절에서는 항법 계산주기에 따른 초기정렬 성능 분석 결과를 제시한다. 시뮬레이션에 사용된 항법 계산주기는 현재 시뮬레이션 대상 LINS의 Dither 주파수 및 샘플링 주기를 고려하여 150Hz와 200Hz의 항법 계산주기를 선정하고 동일한 측정치에 대하여 항법 계산주기를 다르게 하였을 경우에 대한 초기정렬 성능분석 결과를 제시한다.
  • 본 절에서는 정렬 루프의 절점 주파수 변화에 따른 정렬 성능을 분석한다. 앞에서 언급한 바와 같이 정렬 루프 자체가 저역통과 필터 특성을 가지고 있으므로 절점 주파수를 낮추는 것은 저역 통과 특성을 강화하는 것으로 가속도계 및 자이로 측정치에 대한 고주파 성분을 제거하고 안정적으로 정렬을 수행하기 위함에 목적이 있다. 정렬 루프는 150Hz 항법 계산주기로 수행되며 비교는 정렬 전 구간에서 2Hz의 절점 주파수를 가지는 경우와 정렬 수행 60초 시점에서 절점 주파수를 0.

가설 설정

  • 본 절에서는 관성센서에서 출력되는 신호와 항법을 수행하기 위하여 생성되는 주기적인 이산신호와의 관계를 정리한다. 관성센서에서 출력되는 연속신호를 xc(t)라 하고 이를 항법에 이용하기 위하여 Ts초 마다 일정한 주기로 신호를 샘플링하다고 가정하자. 이러한 경우 샘플링 함수를 s(t)라 하면 샘플링된 관성 센서 출력을 xs(t)라 하면 아래와 같은 관계가 성립한다[5].
  • 일반적으로 관성항법장치의 정렬은 고정이득 방식과 가변이득 방식을 많이 사용한다. 본 논문에서는 LINS 항법 계산주기에 따른 정렬성능 분석을 위하여 2차 제어기를 이용한 고정이득 방식의 정렬루프를 적용한 경우를 가정하여 분석을 수행하였다.
  • 본 절에서는 정렬루프에서 사용되는 가속도/각속도 측정치를 정렬전에 전단필터를 이용하여 사전에 정현파 성분을 제거한 후 정렬을 수행하는 경우에 대한 시뮬레이션 결과를 제시한다. 시뮬레이션은 3가지 경우를 가정하여 수행하였으며 전단필터는 2400Hz주기로 측정된 데이터를 이용하여 수행된다. 비교분석을 위한 3가지 시뮬레이션 경우는 다음과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Dither 운동이란 무엇인가? 광학식 자이로의 일종인 RLG(Ring Laser Gyroscope; 이하 RLG)를 탑재한 관성항법장치를 일반적으로 레이저 관성항법장치(Laser Inertial Navigation System; 이하 LINS)라 한다[2,3]. RLG는 일반적으로 내부의 레이저 공진기에 장착된 반사경의 후방산란으로 인하여 0.1 deg/sec 이하의 각속도가 측정되지 않는 lock-in 영역이 존재하기 때문에 이를 제거하기 위해서 강제로 수백 Hz 주기를 가지며 lock-in 크기의 1000배 정도의 정현파 각속도 진동을 RLG의 레이저 공진기에 가하는데 이를 Dither 운동이라 한다[2,3]. RLG 측정치를 항법에 이용하기 위해서는 항체의 운동과 무관한 Dither 운동을 제거하여야 하며 Dither 운동을 RLG 출력에서 제거하는 방법으로 Trapping 기법과 Stripping 기법 등이 있다[4,5].
Ring Laser Gyroscope의 Dither 운동을 제거하는 방법은 무엇이 있는가? 1 deg/sec 이하의 각속도가 측정되지 않는 lock-in 영역이 존재하기 때문에 이를 제거하기 위해서 강제로 수백 Hz 주기를 가지며 lock-in 크기의 1000배 정도의 정현파 각속도 진동을 RLG의 레이저 공진기에 가하는데 이를 Dither 운동이라 한다[2,3]. RLG 측정치를 항법에 이용하기 위해서는 항체의 운동과 무관한 Dither 운동을 제거하여야 하며 Dither 운동을 RLG 출력에서 제거하는 방법으로 Trapping 기법과 Stripping 기법 등이 있다[4,5]. 이러한 기법을 적용하여 Dither 운동을 제거 하면 RLG 단품에서는 정확하게 Dither 운동이 제거되나 3개의 RLG로 관성센서뭉치를 구성하고 LINS 레벨에서 각 축의 RLG/가속도계 측정치를 확인하면 항상 Dither 운동이 측정됨을 확인할 수 있다.
관성항법장치란 무엇인가? 관성항법장치는 자이로 및 가속도계 등 관성 센서를 이용하여 정밀한 위치, 속도, 자세, 각속도 및 가속도 정보를 실시간 제공하는 장비로서 유도무기 및 무기체계 자동화 목적으로 지상, 해상, 항공, 우주 분야 등 다양한 분야의 운반체에 공통으로 소요되는 핵심부품이다. 특히 관성항법장치는 GNSS(Global Navigation Satellite System)와 같은 전파항법에 비하여 별도의 외부장비가 필요치 않고, 전파방해를 받지 않는 등의 장점이 있으므로 정밀 항법정보가 요구 되는 주요 무기체계에서는 관성항법장치를 주 항법장치로 많이 사용하고 있다[1∼3].
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참고문헌 (7)

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

  2. D. H. Titterton and J. L. Weston, 'Strapdown Inertial Navigation Technology', IEE Radar, Sonar, Navigation and Avionics Series, 1977 

  3. G. M. Siouris, 'Aerospace Avionics Systems', Academic Press, Inc., 1993 

  4. 심규민 외, '링레이저 자이로의 몸체진동 진폭 모듈레이션에 의한 lock-in과 불규칙 잡음 특성 연구', 한국항공우주학회, 제29권 제1호, pp. 72-80, 2001 

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  5. A. V. Oppenheim and R. W. Schafer, 'Discrete-Time Signal Processing', Prentice-Hall International, Inc., 1989 

  6. Y. F. Jiang, Y. P. Lin, 'Error Estimation of Ground Alignment to Arbitrary Azimuth', AIAA, 1993 

  7. K. R. Britting, T. Palsson, 'Self-Alignment Techniques for Strapdown Inertial Navigation Systems with Aircraft Application', J. Aircraft, Vol. 7, No. 4, pp. 302-307, 1968 

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