[논문]디더 운동 측정치 모델 기반 링레이저 자이로 스트리핑 방법

김천중; 심규민

doi:10.9766/kimst.2014.17.4.531

Abstract ▼ AI-Helper

There are trapping and stripping methods as the technique to remove the dither motion from RLG(Ring Laser Gyro) output. V/F converter output of angular sensor to measure the dither motion is used in stripping method. But bias and scale factor error is always included in V/F converter output and is a...

There are trapping and stripping methods as the technique to remove the dither motion from RLG(Ring Laser Gyro) output. V/F converter output of angular sensor to measure the dither motion is used in stripping method. But bias and scale factor error is always included in V/F converter output and is a critical limiting factor for the wide application of stripping method to RLG. Therefore there have been many researches to solve this problem. The method to accurately estimate the bias and scale factor error of V/F converter using measurements of the angular sensor acquired at data sampling rate of INS is presented in this paper. To this end, stripping technique based on model of dither motion is newly applied.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 모델기반으로 VF 출력의 이득을 계산하는 방법을 제안하였다. 본 논문에서 제안된 방법의 성능을 검증하기 위하여 시험을 수행하였다. 시험결과 본 논문에서 제안한 디더 운동 측정치 모델 기반의 스트리핑 방법이 매우 우수한 성능을 가지고 있음을 확인하였다.
그러므로 이를 제거하기 위한 많은 연구가 진행되었다. 본 논문에서는 V/F 변환기의 바이어스 및 척도계수 오차를 제거하는 방법으로 관성항법장치의 데이터 획득 주기에 동기 되어 출력되는 V/F 출력에 대하여 디더 운동 모델 기반의 추정기법을 적용한 방법을 제안하였다. 이 방법은 추가적인 하드웨어의 요구 없이 소프트웨어적으로 구현이 가능한 장점을 가지고 있다.
본 논문에서는 각속도 센서를 이용하는 전기적인 스트리핑 방법에 있어서 VF 출력의 바이어스 성분을 정확하게 보상하고 VF 출력과 링 레이저 자이로 출력간의 진폭을 일치시키기 위한 이득을 계산하는 방법을 제시한다. 이를 위하여 관성항법장치 데이터 획득주기에 맞추어 고속으로 획득되는 디더 운동 측정치에 대한 모델링 결과를 제시하였으며 모델 기반으로 VF 바이어스를 정확하게 추정하는 방법을 제안하였다.
또한 미분 과정에서 진폭이 서로 다른 정현파 성분이 존재하기 때문에 두 성분을 미분하면 추가적인 잡음이 발생한다. 본 논문에서는 전자기 센서에서 출력되는 측정치를 가공하지 않고 스트리핑 방법에 적용하기 위하여 측정치 모델기반의 전자기 센서 바이어스 추정 및 보상방법을 제시하고자 한다.

제안 방법

둘째로 스트리핑 출력을 항법에 적용하기 위해서는 누적오차가 발생하지 않아야 하므로 이를 확인하는 시험을 수행하였다. 이를 위해서 약 2000sec 이상 자이로를 동작시키면서 트래핑 출력과 스트리핑 출력을 동시에 받아 적분된 각도를 비교 하였다.
이를 위하여 관성항법장치 데이터 획득주기에 맞추어 고속으로 획득되는 디더 운동 측정치에 대한 모델링 결과를 제시하였으며 모델 기반으로 VF 바이어스를 정확하게 추정하는 방법을 제안하였다. 또한 모델기반으로 VF 출력의 이득을 계산하는 방법을 제안하였다. 본 논문에서 제안된 방법의 성능을 검증하기 위하여 시험을 수행하였다.
본 논문에서 제시한 스트리핑 방법에 대하여 성능검증을 위하여 시험을 수행하였다. 시험 결과 본 논문에서 제시한 스트리핑 방법을 이용하여 추정된 바이어스 및 척도계수 오차 보상 후 장시간 누적된 각 측정치를 트래핑 방법을 통하여 구한 각 측정치와 비교한 결과 동일한 성능을 보이는 것을 확인하였다.
첫째로 스트리핑 적용의 목적인 동적 환경에서 탑재체의 운동을 실시간으로 추적하는지를 확인하였다. 이 를 위해서 짧은 시간동안에 자세를 급격히 변화시키면서 트래핑 출력과 스트리핑 출력을 비교하였다. 그 결과는 Fig.
본 논문에서는 각속도 센서를 이용하는 전기적인 스트리핑 방법에 있어서 VF 출력의 바이어스 성분을 정확하게 보상하고 VF 출력과 링 레이저 자이로 출력간의 진폭을 일치시키기 위한 이득을 계산하는 방법을 제시한다. 이를 위하여 관성항법장치 데이터 획득주기에 맞추어 고속으로 획득되는 디더 운동 측정치에 대한 모델링 결과를 제시하였으며 모델 기반으로 VF 바이어스를 정확하게 추정하는 방법을 제안하였다. 또한 모델기반으로 VF 출력의 이득을 계산하는 방법을 제안하였다.
둘째로 스트리핑 출력을 항법에 적용하기 위해서는 누적오차가 발생하지 않아야 하므로 이를 확인하는 시험을 수행하였다. 이를 위해서 약 2000sec 이상 자이로를 동작시키면서 트래핑 출력과 스트리핑 출력을 동시에 받아 적분된 각도를 비교 하였다. 그 결과는 Fig.
첫째로 스트리핑 적용의 목적인 동적 환경에서 탑재체의 운동을 실시간으로 추적하는지를 확인하였다. 이 를 위해서 짧은 시간동안에 자세를 급격히 변화시키면서 트래핑 출력과 스트리핑 출력을 비교하였다.

성능/효과

2.1절에서 언급한 바와 같이 디더 운동을 측정하는 전자기 센서 출력의 바이어스 오차에 의하여 스트리핑 방법의 성능이 좌우됨을 확인하였다. 기존에는 바이어스 성분 제거를 위하여 전자기 센서 출력치를 미분하고 위상을 변경하는 방법을 적용하였으나 바이어스가 상수라는 가정에서 출발하였기 때문에 바이어스가 변하는 경우에는 적용이 불가능하다.
본 논문에서 제시한 스트리핑 방법에 대하여 성능검증을 위하여 시험을 수행하였다. 시험 결과 본 논문에서 제시한 스트리핑 방법을 이용하여 추정된 바이어스 및 척도계수 오차 보상 후 장시간 누적된 각 측정치를 트래핑 방법을 통하여 구한 각 측정치와 비교한 결과 동일한 성능을 보이는 것을 확인하였다. 이러한 결과로 판단할 때 본 논문에서 제시한 스트리핑 방법을 적용할 경우 가속도 측정치와 시각동기 된 고속의 자이로측정치 획득이 가능하여 가속도/각속도의 측정시점 불일치에 의한 항법오차 개선이 가능하고 또한 고속으로 획득된 각속도/가속도 측정치를 이용하여 관성항법장치 동적오차의 정밀 보상이 가능하기 때문에 트래핑 방법을 적용하는 관성항법장치 성능개선에 크게 기여할 것으로 판단된다.
본 논문에서 제안된 방법의 성능을 검증하기 위하여 시험을 수행하였다. 시험결과 본 논문에서 제안한 디더 운동 측정치 모델 기반의 스트리핑 방법이 매우 우수한 성능을 가지고 있음을 확인하였다. 본 논문의 구성은 2장에서 본 논문에서 제시한 스트리핑 방법에 대하여 기술하였으며 3장에서 본 논문에서 제시한 스트리핑 방법의 성능을 검증하기 위한 시험 수행결과를 제시하고 4장에서 본 논문의 결론을 맺도록 한다.

후속연구

시험 결과 본 논문에서 제시한 스트리핑 방법을 이용하여 추정된 바이어스 및 척도계수 오차 보상 후 장시간 누적된 각 측정치를 트래핑 방법을 통하여 구한 각 측정치와 비교한 결과 동일한 성능을 보이는 것을 확인하였다. 이러한 결과로 판단할 때 본 논문에서 제시한 스트리핑 방법을 적용할 경우 가속도 측정치와 시각동기 된 고속의 자이로측정치 획득이 가능하여 가속도/각속도의 측정시점 불일치에 의한 항법오차 개선이 가능하고 또한 고속으로 획득된 각속도/가속도 측정치를 이용하여 관성항법장치 동적오차의 정밀 보상이 가능하기 때문에 트래핑 방법을 적용하는 관성항법장치 성능개선에 크게 기여할 것으로 판단된다.
향후에는 본 논문에서 제시한 스트리핑 방법을 적용한 경우와 트래핑 방법을 적용한 경우에 대하여 항법성능 관점에서 성능비교를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	링 레이저 자이로의 기본 동작원리를 일컫는 말은 무엇인가?	광학 식 자이로의 일종인 링 레이저 자이로는 서로반대 방향으로 진행하는 빛을 간섭시켜 발생한 간섭주파수가 외부에서 인가된 회전에 의하여 서로 달라지는 원리를 이용하여 각속도를 측정하는 관성센서이다. 이와 같은 링 레이저 자이로의 기본 동작원리를 사냑 효과(Sagnac effect)라 하며 대부분의 광학 식 자이로가 이 원리를 이용하여 각속도를 측정한다[1]. 그러나 링 형태의 폐쇄된 경로를 통하여 서로 반대 방향으로 레이저를 발진시키기 위해서는 반사경을 통하여 레이저의 방향을 바꾸어야 한다.
	링 레이저 자이로란 무엇인가?	광학 식 자이로의 일종인 링 레이저 자이로는 서로반대 방향으로 진행하는 빛을 간섭시켜 발생한 간섭주파수가 외부에서 인가된 회전에 의하여 서로 달라지는 원리를 이용하여 각속도를 측정하는 관성센서이다. 이와 같은 링 레이저 자이로의 기본 동작원리를 사냑 효과(Sagnac effect)라 하며 대부분의 광학 식 자이로가 이 원리를 이용하여 각속도를 측정한다[1].
	링 레이저 자이로에서 링 형태의 폐쇄된 경로를 통하여 서로 반대 방향으로 레이저를 발진시키기 위해서는 어떻게 해야하는가?	이와 같은 링 레이저 자이로의 기본 동작원리를 사냑 효과(Sagnac effect)라 하며 대부분의 광학 식 자이로가 이 원리를 이용하여 각속도를 측정한다[1]. 그러나 링 형태의 폐쇄된 경로를 통하여 서로 반대 방향으로 레이저를 발진시키기 위해서는 반사경을 통하여 레이저의 방향을 바꾸어야 한다. 이 과정에서 반사경산란에 의하여 작은 입력 각속도가 측정되지 않는lock-in 현상이 발생한다.

참고문헌 (8)

J. E. Killpatrick, "The Laser Gyro," IEEE Spectrum, Vol. 4, pp. 44-55, 1967.

상세보기
Weng W., "Theory of Multioscillator Laser Gyro," Physics of Optical Ring Gyros, Proceedings of SPIE, Vol. 487, pp. 30-32, 1984.
Killpatrick J. E., "Laser Gyro Dither Random Noise," Physics of Optical Ring Gyros, Proceedings of SPIE, Vol. 487, pp. 85-93, 1984.
B. G. Ljung, G. F. Schroeder, "Ring Laser Gyro Dither Pulse Eliminator," US Patent, No. 4433706, 1982.
K. R. Fritze, J. E. Killpartrick, D. F. Berndt, "Ring Laser Gyro Dither Stripper," US Patent, No. 5249031, 1993.
S. Ferriss, N. J. Park, "Electronic Dither Compensator for a Ring Laser Gyro," US Patent, No. 4610543, Sep. 9. 1986.
K. Bohm, R. Rudoloff, "Optical Rotation Sensor," Sensor, Optical Sensor, Vol. 6, pp. 422-464, 1992.
K. M Shim, T. H. Chung and H. J. Lim, "Ditherstripping with the Differential of Dither Rate Signal for a Ring Laser Gyroscope," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 33, No. 8, pp. 65-74, 2005.

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