[논문]항공기 Run-Up 진동 환경에서의 관성항법장치 초기 정렬 방법 설계 및 평가

유해성; 이인섭; 오주현; 김천중; 박흥원

doi:10.5302/j.icros.2015.15.0024

항공기 Run-Up 진동 환경에서의 관성항법장치 초기 정렬 방법 설계 및 평가
Design and Evaluation of INS Initial Alignment under Vibration Environment of Aircraft Run-up 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.21 no.7, 2015년, pp.691 - 698

유해성 (국방과학연구소) , 이인섭 (국방과학연구소) , 오주현 (국방과학연구소) , 김천중 (국방과학연구소) , 박흥원 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Inertial Navigation Systems (INS) are widely used as the main navigation device for aircraft. To get the initial attitude, the INS requires the initial alignment before navigation starts. An aircraft also needs an engine test procedure that causes some vibrations before flight. An INS can't be aligned in a vibration environment so the initial alignment is performed before the aircraft engine test. Therefore, the initial alignment time of an INS has been a major factor in limiting an aircraft's takeoff response time. In this paper, we designed an initial alignment algorithm that can be executed even in disturbances such as aircraft run-up. We demonstrated verification of the algorithm that is embedded on the real INS and testing methods to evaluate the alignment of the INS. We also analyzed the test results of the proposed initial alignment algorithm that is performed during a real aircraft run-up.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

0057deg는 실제 운용 중에 이 정도의 값을 자세 기준 장치를 이용하여 상대각을 측정하여 평가하는 방법은 사실상 불가능하다. 따라서 여기에서는 정렬 후 비행 모드에서의 속도 오차를 이용하여 정렬이 정상적으로 이루어졌는지 확인하는 간접적인 방법을 알아본다.
둘째는 E축 자이로를 이용하여 방위각으로 지구 회전 각속도 대비 작은 자이로의 측정치를 이용하므로 정렬 시간의 대부분을 이 과정에서 소요되게 된다[11]. 따라서 이 방위각 정렬 성능 및 시간이 전체적인 정렬 성능 및 시간을 결정하는 요소이므로 이 자이로의 오차 특성을 살펴본다.
본 논문에서는 관성항법장치의 가속도 및 각속도에 대해서 선행 필터링을 하지 않으면서, 항공기의 Run-up과 같은 진동 환경 하에서 유용한 정밀 방위각 정렬 방법을 제시하였다. 또 구현상 고려해야 할 점과 정렬 평가 방법을 제시하였으며, 설계된 정렬 방법을 실제 진동 하에서 구현하여 평가하여 그 특성 및 유용성을 검증하였다.
본 논문의 구성은 II 장에서 정렬 시간 및 성능에 영향을 주는 자이로의 오차 성분에 대해서 살펴보고, 시험 대상인 링 레이저 관성항법장치의 자이로에 대해서 평가한 내용을 기술한다. III 장에서는 UKF의 필터를 위한 모델링 방법을 제시한다.
왜냐하면 단품 자체의 디더링(Dithering)의 영향과 ISA 상태의 다른 축 디더링의 영향이 자이로의 RW 평가에 다르게 나타날 수 있기 때문이다. 본 논문의 적용 시스템인 링 레이저에 대해서 센서 Level과 시스템 Level에서의 자이로 데이터를 이용하여 자이로의 RW을 평가하여 본다. 여기서 시스템 Level 데이터는 온도에 의한 thermal gradient 효과가 평가에 나타날 수 있도록 상온에서 시작하여 자연적으로 내부 구성품에 의해서 발열하는 환경에서 획득한 데이터를 이용하여 평가하였다.
정렬 과정 중 계산하고자 하는 방위각 자세 오차는 E(east)축 자이로의 성능에 의해서 결정된다. 정렬에 영향을 미치는 요소로는 자이로의 바이어스 및 Random-Walk(RW) 있으며, 이에 대해서 살펴본다.

제안 방법

T2 task의 계산 시작 시간에 항법 컴퓨터의 하드웨어 Interrupt로 동작하는 기본 System Management Interrupt을 이용하여 counter 계산을 시작하고, T2의 마지막 시점에서의 counter 계산을 멈추어 T2 task가 5Hz에 구현되도록 설계한 0.2sec내에서 충분히 계산을 수행하는지를 검사한다.
그러면 T2 task가 항법 컴퓨터의 계산 능력 안에서 계산이 수행되는지의 여부를 판단할 수 있다. 그리고 T2 task에서 계산된 상태변수 즉 위치, 자세 및 속도 오차의 항법 보상(Compensation)은 0.2sec 후의 T1 task의 항법 계산 마지막 부분에서 보상 될 수 있도록 설계하여 우선 순위가 높고, 오차 계산의 기본이 되는 항법 계산이 신뢰성을 확보 하도록 한다
진동 및 외란이 발생하는 환경에서 정렬 방법을 검증하기 전에 자체 정렬의 정렬 시간은 보다 근본적으로 자이로의 센서 오차에 의해 그 한계가 제한되므로, 여기서는 자이로의 특성 및 정렬에 미치는 오차 요소를 분석하고, 추정에 많은 시간이 소요되는 방위각 오차 및 수평축 자세 오차를 비선형으로 모델링한 항법 오차 방정식을 기술한다. 그리고 항공기가 많은 진동 및 외란을 야기하는 Run-up을 수행하는 중 제안된 방법을 이용하여 링 레이저 (Ring Laser) 기반의 관성항법장치의 정렬을 수행한다. 또, 정렬 단계에서 계산한 초기 자세와 속도와의 상관 관계를 통하여 정렬 자세에 대해서 성능 평가하는 방법을 제시한 후, 그 방법을 통해 제안된 정렬 방법의 성능을 평가한다.
본 논문에서는 관성항법장치의 가속도 및 각속도에 대해서 선행 필터링을 하지 않으면서, 항공기의 Run-up과 같은 진동 환경 하에서 유용한 정밀 방위각 정렬 방법을 제시하였다. 또 구현상 고려해야 할 점과 정렬 평가 방법을 제시하였으며, 설계된 정렬 방법을 실제 진동 하에서 구현하여 평가하여 그 특성 및 유용성을 검증하였다.
그리고 항공기가 많은 진동 및 외란을 야기하는 Run-up을 수행하는 중 제안된 방법을 이용하여 링 레이저 (Ring Laser) 기반의 관성항법장치의 정렬을 수행한다. 또, 정렬 단계에서 계산한 초기 자세와 속도와의 상관 관계를 통하여 정렬 자세에 대해서 성능 평가하는 방법을 제시한 후, 그 방법을 통해 제안된 정렬 방법의 성능을 평가한다.
본 논문의 적용 시스템인 링 레이저에 대해서 센서 Level과 시스템 Level에서의 자이로 데이터를 이용하여 자이로의 RW을 평가하여 본다. 여기서 시스템 Level 데이터는 온도에 의한 thermal gradient 효과가 평가에 나타날 수 있도록 상온에서 시작하여 자연적으로 내부 구성품에 의해서 발열하는 환경에서 획득한 데이터를 이용하여 평가하였다.
위와 같이 구현된 정밀 방위각 정렬 알고리즘에 대해서 관성항법장치의 항법 컴퓨터에 실시간 구현 시험을 수행한 고, 관성항법장치 시스템에서 방위각에 대한 반복 시험을 수행한다. 방위각 정렬의 성능은 정렬 정밀도(Alignment Precision)와 정렬 정확도(Alignment Accuracy)의 두 측면에서 평가된다.
또, UKF는 선형화 모델을 이용하지 않으므로 Open Loop 과정을 매우 짧게 수행하거나 수행하지 않는 방법으로 정렬 시간을 단축할 수 있는 장점도 있다. 진동 및 외란이 발생하는 환경에서 정렬 방법을 검증하기 전에 자체 정렬의 정렬 시간은 보다 근본적으로 자이로의 센서 오차에 의해 그 한계가 제한되므로, 여기서는 자이로의 특성 및 정렬에 미치는 오차 요소를 분석하고, 추정에 많은 시간이 소요되는 방위각 오차 및 수평축 자세 오차를 비선형으로 모델링한 항법 오차 방정식을 기술한다. 그리고 항공기가 많은 진동 및 외란을 야기하는 Run-up을 수행하는 중 제안된 방법을 이용하여 링 레이저 (Ring Laser) 기반의 관성항법장치의 정렬을 수행한다.
)의 비선형 부 분을 추가한 모델을 이용한다[14,15]. 필터의 상태 변수는 body축 가속도계(Ax, Ay, Az) 및 자이로(Bx, By, Bz) 바이 어스를 random constant로 모델링하여 시스템 모델을 구성한다. 즉 상태 변수 x는 위도, 경도, 고도 오차 (δ∅,#, δh), 속도 오차(δν_e , δν_n,δν
데이터처리
- 자이로 바이어스의 평가는 교정 절차(Calibration Process)와 관련되어 있어, 평가 방법만을 언급하고 평가 결과의 제시는 생략한다. 평가 방법은 상대적인 자세 변화를 정확하게 제어할 수 있는 Rate Table 등을 이용하여 정확히 180도를 회전시켜 자이로 바이어스에 대한 평가를 수행할 수 있다.

이론/모형

은 속도 가 정지해 있으므로 영속도와 항법 계산 후의 속도와의 차이로 선형화된 형태로 구성된다. UKF의 SP (Sigma Point)는 기본적인 형태로 시스템 차수 N의 2배인 2N개의 SP를 갖도록 하는 UT (Unscented Transformation)를 사용하였다.
본 논문에서는 측정치에 대한 필터링를 수행하지 않고, 선형화 모델을 이용하지 않는 Unscented Kalman Filter (UKF)를 이용하여 본다. 항공기의 Run-up 진동 환경에서 UKF 만을 이용하는 정렬 방법이 속도 및 각 증분의 항법 측정치에 대해서 전처리 필터링을 수행하지 않으므로 delay에 의한 오차 및 자세와 가속도의 불일치에 의한 오차를 최소화하고, Kalman Filter의 스무딩 효과 및 항법 방정식의 적분 효과에 의해서 가능함을 보인다[10].

성능/효과

이런 진동이나 외란에의해 정렬 성능이 저하되는 것을 방지하는 방법으로 기존에는 정렬을 수행하기 전 가속도계 및 자이로의 측정치 즉 속도 증분과 각 증분에 대해서 여러 형태의 필터링을 수행하였다[7-9]. 결국 이런 형태는 신호의 노이즈 감소를 통해 정밀 정렬의 수렴성이 향상된다고 제시하였으며, 또 검증 방법으로 여러 개의 데이터에 대해서 추정한 자세의 정밀도를 평가하는 방법으로 정렬이 향상되었다는 결론을 이끌었다. 하지만 이런 방법은 측정치의 필터링에 의해 실제 관성항법장치의 자세와 정렬에서 계산한 자세와의 차이를 야기한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초기 정렬의 방법은 어떠한 것이 있는가?	이러한 초기 자세 정보를 획득하는 과정을 정렬(Initial Alignment)이라 한다[1-4]. 초기 정렬은 동체가 정지시 LLF로부터 일정량의 중력 가속도와 지구 회전 각속도가 측정된다는 원리를 이용하는 자체 정렬(Self Alignment) 방법과 항체가 움직일 경우, 보다 정밀한 주관성항법장치 (Master INS)로부터 자세 및 속도 등의 정보를 전달 받아 정 렬을 수행하는 전달 정렬(Transfer Alignment) 방법이 있다. 각각의 방법 모두 정렬 수행 시간에 따라 성능이 결정되며, 특히 자체 정렬의 경우는 관성 센서의 오차 수준과 전달 정렬의 경우 항체의 거동에 따라서 성능이 좌우된다.
	스트랩다운형 관성항법 장치란 무엇인가?	Local-Level Frame (LLF, 여기서는 ENU Frame)의 가속도를 적분하여 위치 정보를 제공하는 스트랩다운형 관성항법 장치(SDINS: StrapDown Inertial Navigation System)는 동체 좌표계(Body Frame)에서 측정된 가속도를 LLF로 투영시켜야 한다. 따라서 자세 정보가 필요로 하게 되며, 이 자세 정보는 자이로를 이용하여 계산한다.
	초기 정렬의 방법 중 자체 정렬의 성능을 결정하는 것은 무엇인가?	초기 정렬은 동체가 정지시 LLF로부터 일정량의 중력 가속도와 지구 회전 각속도가 측정된다는 원리를 이용하는 자체 정렬(Self Alignment) 방법과 항체가 움직일 경우, 보다 정밀한 주관성항법장치 (Master INS)로부터 자세 및 속도 등의 정보를 전달 받아 정 렬을 수행하는 전달 정렬(Transfer Alignment) 방법이 있다. 각각의 방법 모두 정렬 수행 시간에 따라 성능이 결정되며, 특히 자체 정렬의 경우는 관성 센서의 오차 수준과 전달 정렬의 경우 항체의 거동에 따라서 성능이 좌우된다. 결과적으로 관성항법장치를 운용하는 환경에 따라서 정렬 시간과 운용 상황의 제약으로 인하여 원하는 초기 자세 정확도를 얻지 못하는 경우, 초기 자세 오차는 항법 모드(비행 모드) 이후 위치 및 속도 오차를 크게 악화시키게 된다[5,6].

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