[논문]UKF를 적용한 레이저 관성항법장치의 외란에 대한 초기정렬 성능분석

오주현

doi:10.9766/kimst.2014.17.4.537

[국내논문] UKF를 적용한 레이저 관성항법장치의 외란에 대한 초기정렬 성능분석
Performance Analysis in Disturbance on Initial Alignment of Laser Inertial Navigation System Using Unscented Kalman Filter 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.17 no.4, 2014년, pp.537 - 543

Abstract ▼ AI-Helper

RLG(Ring Laser Gyroscope) is a main device of LINS(Laser Inertial Navigation System). RLG has the lock-in region in which there is no output signal. To alleviate the lock-in problem, a mechanical oscillation, the dither motion, is applied on RLG. A LPF(Low Pass Filter) is usually used on the output of RLG and accelerometer to remove the noise that is made by the dither motion. When the LINS is induced the disturbance during the initial alignment, it takes more time on alignment due to the use of the LPF and a fixed gain controller. In this paper, an initial alignment using UKF(Unscented Kalman Filter) is designed and analysed. Analysis include comparison between conventional initial alignment loop using fixed gain type controller and proposed initial alignment using UKF. Moreover, Disturbance inducing test results are demonstrated.

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AI 본문요약
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문제 정의

정렬루프가 실행되면서 초반에는 자세 변화가 많기 때문에, AQ값이 크지만, 정렬이 거의 완료된 후에는 자세변화가 거의 없기 때문에 AQ값이 감소하게 된다. 본 논문에서는 정렬 중 외란이 인가되었을 때 AQ값의 변화를 관찰하여 외란에 대한 강인성을 판단하기로 한다.
본 논문에서는 UKF를 적용한 정렬루프를 탑재한 레이저 관성항법장치의 외란에 대한 정렬성능 분석결과를 제시하였다. UKF를 적용한 정렬루프는 기존의 고정이득 제어기 및 측정치 잡음 제거를 위한 전단필터를 사용한 정렬루프에 비해 외란에 상대적으로 강인하여, 외란이 가해지는 경우에도 정렬시간이 증가하지 않는 것으로 나타났다.

가설 설정

Fig. 2와 같이 동체 좌표계(x,y,z)와 항법좌표계(E,N,U)가 완벽하게 일치한 상태에서, 외란으로 인해 동체좌표계의 x축에 회전각Θ가 인가되었다고 가정하자.

제안 방법

UKF의 상태 변수 xk는 위치 오차 (δλ, δΦ, δh), 속도 오차(δve, δvn, δvu), 자세 오차(Ψe , Ψn, Ψu) 및 가속도계 바이어스(Ax, Ay, Az) 및 자이로 바이어스 (Bx, By, Bz) 총 15차로 구성하였다.
본 논문에서는 외란이 가해지는 환경에서도 안정적인 정렬을 수행하기 위한 방안으로 UKF(Unscented Kalman Filter)를 이용한 정렬루프를 설계하고, 외란이 인가될 때의 정렬 성능을 기존의 고정이득 방식의 정렬루프와 비교하였다.
본 논문에서는 UKF를 사용하여 정렬루프를 설계하였다. UKF의 상태 변수 x_k는 위치 오차 (δλ, δΦ, δh), 속도 오차(δv_e, δv_n, δv_u), 자세 오차(Ψ_e , Ψ_n, Ψ_u) 및 가속도계 바이어스(Ax, Ay, Az) 및 자이로 바이어스 (Bx, By, Bz) 총 15차로 구성하였다.
UKF 구현 알고리즘은 Sigma point를 시스템 차수 N의 두배인 30개로 하였으며, 구현은 Fig. 1과 같다.
항법 모드로 진입할 수 있을 정도(AQ < 1.5)로 정렬이 완료된 후 관성항법장치에 자세변화를 주는 방법으로 외란을 인가하였다.
외란 인가시험은 레이저 관성항법장치를 사용하였으며 고정이득 방식 및 전단필터를 이용한 정렬루프 및 UKF를 이용한 정렬루프를 각각 탑재하여 외란에 의한 정렬성능을 비교하였다.
비교 대상인 두 정렬 방법 모두 실시간 관성항법장치 컴퓨터에서 수행되고, 정렬 중 발생한 위치 및 속도를 오차로 이용하므로 외란을 인가하는 장치가 없으면, 동일한 외란으로 비교 분석을 수행하기는 현실적으로 어렵다. 따라서 최대한 유사한 외란을 가하는 방법으로 두 가지 정렬 방법의 특성 및 성능을 비교하도록 한다.
본 논문에서 제안한 필터의 성능 검증을 위해 항공기 탑재 외란인가시험을 실시하였으며 항공기 날개 아래쪽에 관성항법장치를 장착하였다.

이론/모형

UKF 필터는 선형화 과정이 필요하지 않으므로 속도및 자세 오차모델은 Ψ 모델의 Large Heading model[7]를 사용하였으며 아래의 식과 같다.

성능/효과

7과 같이 나타내어진다. 인가된 외란의 크기는 자세각의 변화가 최대 7.5도로 고정이득 방식의 정렬루프에 인가한 외란에 비해 더 큰 외란으로 나타났으나 UKF를 이용한 정렬루프의 AQ는 상대적으로 변화가 거의 없는 것으로 나타났다.
UKF를 적용한 정렬루프는 기존의 고정이득 제어기 및 측정치 잡음 제거를 위한 전단필터를 사용한 정렬루프에 비해 외란에 상대적으로 강인하여, 외란이 가해지는 경우에도 정렬시간이 증가하지 않는 것으로 나타났다.
약 220초, 450초 부근에 Roll, Heading이 흔들린 것을 확인할 수 있다. 점검 중 외란환경에서 UKF를 적용한 정렬루프의 AQ는 거의 변화되지 않은 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	관성항법장치란 무엇인가?	관성항법장치는 자이로 및 가속도계 등 관성센서를 이용하여 정밀한 위치 및 속도, 자세 정보를 실시간 제공하는 장비로서 유도무기를 비롯하여 지상, 해상, 항공우주 플랫폼 등 다양한 무기체계에 공통적으로 소요되는 핵심부품이다[1]. 관성항법장치는 전파항법과 같이 절대항법 방식을 이용하여 항법정보를 구하지 않고 상대항법 방식을 이용하기 때문에 관성항법장치 항법 모드 진입 전에 초기 위치 및 자세 정보가 요구된다[2～4].
	관성항법장치의 필요조건은?	관성항법장치는 자이로 및 가속도계 등 관성센서를 이용하여 정밀한 위치 및 속도, 자세 정보를 실시간 제공하는 장비로서 유도무기를 비롯하여 지상, 해상, 항공우주 플랫폼 등 다양한 무기체계에 공통적으로 소요되는 핵심부품이다[1]. 관성항법장치는 전파항법과 같이 절대항법 방식을 이용하여 항법정보를 구하지 않고 상대항법 방식을 이용하기 때문에 관성항법장치 항법 모드 진입 전에 초기 위치 및 자세 정보가 요구된다[2～4]. 이러한 초기 자세정보를 획득하는 과정을 정렬 (Alignment)이라 한다[5,6].
	기존의 정렬루프인 전단필터에 대해 설명하시오	기존의 정렬루프는 일반적으로 2차 제어기를 이용한 고정이득 방식의 정렬루프에 가속도 및 각속도 측정치에 대한 전단필터가 있는 구조로 되어있다[1]. 전단필터는 RLG의 Dither운동으로 인한 측정치의 잡음제거를 위해 LPF(Low Pass Filter)로 구성되어있다. 2차 제어기는 수평축 가속도계 측정치 fb의 적분값인 속도가 영이 되도록 2차 제어기를 이용하여 제어신호(ωc)를 생성하고 이를 이용하여 동체좌표계(body-frame)과 항법 좌표계(navigation-frame) 사이의 좌표변환행렬 Cbn을 계산하여 수평축 정렬을 수행하며 수직축 자세는 생성된 제어신호를 이용하여 계산한다[1].

참고문헌 (10)

H. Kim, C. Kim, and T. Lee, "Performance Analysis on the Initial Alignment of Laser Inertial Navigation System," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 12, No. 5, pp. 622-635, 2009.
Kenneth R. Britting, "Inertial Navigation Systems Analysis," John Wiley & Sons, Inc., 1971.
D. H. Titterton and J. L. Weston, "Strapdown Inertial Navigation Technology," IEE Radar, Sonar, Navigation and Avionics Series, 1977.
G. M. Siouris, "Aerospace Avionics Systems," Academic Press, Inc., 1993.
Oleg S. Salychev, "Inertial Systems in Navigation and Geophysics," Bauman MSTU Press, Moscow, 1998.
G. M. Siouirs, "Aerospace Avionics Systems, A Modern Synthesis," Academic Press, 1993.
Y. F. Jiang, Y. P. Lin, "Error Estimation of Ground Alignment to Arbitrary Azimuth," AIAA, 1993.
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.
H. Yu, et. al., "Study on In-Flight Alignment Using a Tightly-Coupled INS/GPS Integration," KIMST Annual Conference Proceedings, 2007. 8. 16.
H. Yu, et. al., "Comparison of Extended and Unscented Kalman Filter for In-Flight Alignment," KIMST Annual Conference Proceedings, 2012. 6. 7.

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