[논문]링 레이저 자이로 기반 회전형 관성항법장치를 위한 6-자세 자이로 바이어스 교정 방법

유해성; 김천중; 이인섭; 오주현; 성창기; 이상정

doi:10.9766/kimst.2019.22.2.189

링 레이저 자이로 기반 회전형 관성항법장치를 위한 6-자세 자이로 바이어스 교정 방법
The Six-Position Calibration Technique of Gyro Bias for Rotational Inertial Navigation System Based on Ring Laser Gyroscope 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.2, 2019년, pp.189 - 196

유해성 (국방과학연구소 제3기술연구본부) , 김천중 (국방과학연구소 제3기술연구본부) , 이인섭 (국방과학연구소 제3기술연구본부) , 오주현 (국방과학연구소 제3기술연구본부) , 성창기 (국방과학연구소 제3기술연구본부) , 이상정 (충남대학교 전자전파정보통신공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The inertial sensor errors in SDINS(Strapdown Inertial Navigation System) can be compensated by rotating the inertial measurement unit and it is called RINS(Rotational Inertial Navigation System). It is assumed that the error of the inertial sensor in RINS is a static bias. However, the error of the inertial sensor actually developed and produced is not a static bias due to the change of the temperature applied to the sensor and the influence of the earth's gravity acceleration. In this paper, we propose a six-position gyro bias calibration method to evaluate the gyro bias required for RINS and present the test results of applying it to a ring laser gyro inertial navigation system under development.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Z-Up position
그림 Fig. 2. Z-Down position
그림 Fig. 3 Y-Up position
그림 Fig. 4 Y-Down position
그림 Fig. 5 X-Up position
그림 Fig. 6 X-Down position
그림 Fig. 7. Temp. change for calibration process
그림 Fig. 8. X Gyro bias(Z-Up & Y-Up angular position)
그림 Fig. 9. Y Gyro bias(Z-Up & Y-Up angular position)
그림 Fig. 10. Gyro angular position of Z-Up and Y-Up
그림 Fig. 11. Internal schematic of gyro
그림 Fig. 12. X Gyro bias(Z-Up & Y-Up angular position)
그림 Fig. 13. Y Gyro bias(Z-Up & Y-Up angular position)

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 회전형 관성항법장치에 요구되는 자이로 바이어스를 평가하기 위해 자세별 자이로 바이어스 교정 방법을 제시하고, 국내 개발 중인 링 레이저 관성항법장치에 적용한 결과를 제시한다. 본 논문의 자이로 바이어스 교정 방법은 Rate Table에서 정지 상태의 속도오차를 이용하여 자세별로 식별하게 된다.
본 논문에서는 회전형 관성항법장치의 주요 오차 요소인 자이로 바이어스에 대해서 6 자세별로 교정하는 방법을 제시하였다. 180도 회전 전/후의 속도 오차의 2차 기울기 및 방위각 변화의 1차 기울기를 측정 하여 시스템 단계에서 자이로 바이어스 교정 방법을 2축 Rate Table에서 수행할 수 있도록 제시하였으며 개발 중인 관성항법장치 시험 평가를 수행하였다.
제시된 자이로 바이어스 측정 방법을 통해 자이로를 평가한다. 자세별로 자이로 바이어스가 변화하면 회전형 관성항법장치에 오차를 발생시키므로, 이를 최소하기 하기 위해 자이로의 하드웨어를 수정한 예를 보이고, 운용 자세에 따른 자이로 바이어스 변화에 대한 성능 개선 효과에 대해서 기술한다.

제안 방법

본 논문에서는 회전형 관성항법장치의 주요 오차 요소인 자이로 바이어스에 대해서 6 자세별로 교정하는 방법을 제시하였다. 180도 회전 전/후의 속도 오차의 2차 기울기 및 방위각 변화의 1차 기울기를 측정 하여 시스템 단계에서 자이로 바이어스 교정 방법을 2축 Rate Table에서 수행할 수 있도록 제시하였으며 개발 중인 관성항법장치 시험 평가를 수행하였다. 수행 결과 개발된 링레이저 자이로 내부의 광학부/전자부 열간섭에 의하여 교정 자세 변화에 따라 자이로 바이어스가 상이하게 변하는 현상을 식별하였다.
2축 Rate Table을 제어하여 4장에서 제시된 6가지 자이로 바이어스 교정 방법을 적용하고, 개발 중인 관성항법장치 운용 온도를 고려하여 Fig. 7과 같이 외부 온도를 제어한 상태에서 자이로 바이어스를 실시간 계산한다.
본 장에서는 6 자세의 교정 결과 중 Z-Up과 Y-Up 결과만 제시한다. 개발 중인 관성항법장치의 초기 정렬 모드 자세는 Y-Up 자세이고, 항법 모드 자세는 Z-Up 으로 Z-Up과 Y-Up의 자세에 대해서 시험 결과를 분석한다.
검증 방법으로 교정 후 선별적인 온도에 대해서 정렬 과정에서 min bias 측정 방법 및 정리 상태에서 정렬 이후 항법을 수행하고, 이 발생한 Ve축 속도 오차를 이용하여 바이어스를 평가하였다. 이는 선별적인 온도에 대한 것으로 본 논문에서는 기술을 생략하였다.
시스템 단계에서의 교정 방법은 각 위치(Angular Position)를 제어할 수 있는 Rate Table을 이용하여 관성항법장치의 각 위치를 변화시킨다. 그리고 각 위치에서의 속도 오차를 측정값으로 하면서, 해당 위치에서의 관성 센서 오차로 표현된 선형 방정식을 구성하고, 관성 센서 오차식을 풀게 된다. 본 논문에서는 식 (1), (2)의 관성항법 오차식과 2축 제어가 가능한 Rate Table을 이용하여 관성항법장치의 각 위치를 변화시켜 가며 관성 센서 오차와 속도 오차 측정방정식을 획득한다^[12,13].
링 레이저 자이로의 바이어스는 자체 디더링에 의한 상호 간섭을 최소화하기 위하여 관성 센서 뭉치를 구성하여 관성항법장치 시스템 단계의 교정을 통하여 식별된다^[15,16]. 본 논문에서는 관성항법장치의 자세를 6 자세로 변화시키고, 항법 오차 방정식을 이용하여 센서 축에서의 자이로 바이어스를 계산한다. 제시된 자이로 바이어스 측정 방법을 통해 자이로를 평가한다.
본 논문에서는 자이로 바이어스에 대해서만 교정 측정 방정식을 기술한다. 회전형 관성항법장치의 회전 운동에 대해서 자이로 바이어스가 static 바이어스인지를 확인하기 위해서 관성 센서 뭉치를 6 자세로 위치시키고, 6 자세에 대해서 자이로 바이어스와 속도 오차 및 방위각 자세 사이의 선형 측정 방정식을 유도 한다.
본 논문에서는 회전형 관성항법장치에 요구되는 자이로 바이어스를 평가하기 위해 자세별 자이로 바이어스 교정 방법을 제시하고, 국내 개발 중인 링 레이저 관성항법장치에 적용한 결과를 제시한다. 본 논문의 자이로 바이어스 교정 방법은 Rate Table에서 정지 상태의 속도오차를 이용하여 자세별로 식별하게 된다. 링 레이저 자이로의 바이어스는 자체 디더링에 의한 상호 간섭을 최소화하기 위하여 관성 센서 뭉치를 구성하여 관성항법장치 시스템 단계의 교정을 통하여 식별된다^[15,16].
본 장에서는 Z축이 Up 자세와 일치하게 배치되는 경우에 대해서 자이로 바이어스를 교정하여 구하는 방법을 논의하고 이후 다른 자세별 자이로 바이어스를 구하는 방법을 기술한다.
180도 회전 전/후의 속도 오차의 2차 기울기 및 방위각 변화의 1차 기울기를 측정 하여 시스템 단계에서 자이로 바이어스 교정 방법을 2축 Rate Table에서 수행할 수 있도록 제시하였으며 개발 중인 관성항법장치 시험 평가를 수행하였다. 수행 결과 개발된 링레이저 자이로 내부의 광학부/전자부 열간섭에 의하여 교정 자세 변화에 따라 자이로 바이어스가 상이하게 변하는 현상을 식별하였다. 하드 웨어 설계 변경을 통하여 식별된 문제 해결 후 본 논문에서 제시한 교정 기법을 통해 자세 변화에 따른 자이로 바이어스 변화 현상이 사라졌음을 확인하여 하드웨어 설계 변경이 타당하게 진행되었음을 검증할 수 있었다.
회전형 관성항법장치의 원리에서 알 수 있듯이 자이로 바이어스가 static 형태이면 문제가 되지 않지만, 회전 중에 발생하는 자이로 바이어스의 변화가 회전형 관성항법장치의 성능을 좌우하게 된다. 이런 이유로 자세 변화 및 외부 환경에 따라 바이어스 변화가 작은 링레이저 자이로(Ring Laser Gyro(RLG)) 혹은 광섬유 자이로(Fiber Optic Gyro(FOG))를 개발하여 회전형 관성항법장치에 적용하였다^[9].
13과 같다. 저온에서의 특성을 더 관찰하기 위해서 관성항법장치의 외부 케이스를 제거(위의 교정시험과 동일한 조건) 하고 교정을 수행하여 -20 ℃까지 교정을 수행하였다.
정적 오차 교정 방법으로는 레이트 시험, 다위치 시험 및 시스템 단계에서의 가속도 정보를 이용하는 방법이 있으며, 본 논문에서는 항법 정보를 이용하는 시스템 단계에서의 정렬/항법을 수행하여 교정을 수행한다.
본 논문에서는 자이로 바이어스에 대해서만 교정 측정 방정식을 기술한다. 회전형 관성항법장치의 회전 운동에 대해서 자이로 바이어스가 static 바이어스인지를 확인하기 위해서 관성 센서 뭉치를 6 자세로 위치시키고, 6 자세에 대해서 자이로 바이어스와 속도 오차 및 방위각 자세 사이의 선형 측정 방정식을 유도 한다.

대상 데이터

관성 센서의 오차는 인가되는 운동량에 무관하게 그 값이 변화하는 정적 오차(static error)와 인가되는 운동량에 유관하게 발생하는 동적(Dynamic error)가 있다. 본 논문이 대상으로 하는 RLG 관성항법장치의 교정 대상은 정적 오차이고, 동적 오차는 그 크기가 작아 생략한다.

이론/모형

논문의 항법계산에 사용되는 관성항법장치 항법 좌표계는 East-North-Up(ENU)로 계산되며, 오일러 각 자세는 Roll, Pitch, Yaw에 대해 RPY(321) sequence으로 구한 Euler 각을 출력한다. 수직축에 위치한 자이로 바이어스는 이 Euler 각인 Yaw 각 혹은 방위각 자세 (\(ψ\))의 1차 기울기를 이용한다.
. 따라서 Pitch 90도 및 -90도에서는 PRY(231) sequence을 이용하여 Y축 자이로 바이어스를 계산하고, 방위각의 1차 기울기를 측정방정식으로 이용한다.
본 논문에서는 관성항법장치의 자세를 6 자세로 변화시키고, 항법 오차 방정식을 이용하여 센서 축에서의 자이로 바이어스를 계산한다. 제시된 자이로 바이어스 측정 방법을 통해 자이로를 평가한다. 자세별로 자이로 바이어스가 변화하면 회전형 관성항법장치에 오차를 발생시키므로, 이를 최소하기 하기 위해 자이로의 하드웨어를 수정한 예를 보이고, 운용 자세에 따른 자이로 바이어스 변화에 대한 성능 개선 효과에 대해서 기술한다.

성능/효과

결과적으로, 동체 좌표계에서의 x축 자이로 바이어스는 회전 후(T)와 회전 전(0)의 항법축에서의 Y축 즉 N 축 속도 오차의 2차 기울기의 차로 나타나며, Y축자이로 바이어스는 회전 후(T)와 회전 전(0)의 항법축에서의 X축 즉 E축 속도 오차의 2차 기울기의 차로 나타나고, Z축 자이로 바이어스는 회전 전과 후의 항법축에서의 수직축 자세의 1차 기울기의 평균으로 표현됨을 알 수 있다.
측정을 통하여 링레이저 자이로 내부의 열분포를 측정한 결과 광학부 대비 전자부의 온도가 10 ℃ 이상 높게 나타남을 확인하였으며 이 때 열분포의 차이에 의해 전자부에서 발생한 열이 광학부로 전달됨에 따라 광학부에 열구배가 발생하여 Fig. 8~9와 같이 자세에 따라 교정결과가 다르게 나타난 것으로 확인되었다.
수행 결과 개발된 링레이저 자이로 내부의 광학부/전자부 열간섭에 의하여 교정 자세 변화에 따라 자이로 바이어스가 상이하게 변하는 현상을 식별하였다. 하드 웨어 설계 변경을 통하여 식별된 문제 해결 후 본 논문에서 제시한 교정 기법을 통해 자세 변화에 따른 자이로 바이어스 변화 현상이 사라졌음을 확인하여 하드웨어 설계 변경이 타당하게 진행되었음을 검증할 수 있었다. 이러한 결과로 판단할 때 본 논문에서 제시한 6자세 자이로 바이어스 교정기법은 새로이 개발 되는 자이로 혹은 관성항법장치 기능/성능 검증에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단되며 회전형 관성항법장치용 자이로 선별에도 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

하드 웨어 설계 변경을 통하여 식별된 문제 해결 후 본 논문에서 제시한 교정 기법을 통해 자세 변화에 따른 자이로 바이어스 변화 현상이 사라졌음을 확인하여 하드웨어 설계 변경이 타당하게 진행되었음을 검증할 수 있었다. 이러한 결과로 판단할 때 본 논문에서 제시한 6자세 자이로 바이어스 교정기법은 새로이 개발 되는 자이로 혹은 관성항법장치 기능/성능 검증에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단되며 회전형 관성항법장치용 자이로 선별에도 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
향 후 개발된 자이로 및 관성항법장치에 대해서 회전형 관성항법장치를 구성하고 회전형 관성항법치의 오차 요소에 대한 추가적인 연구를 진행 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	회전형 관성항 법장치란?	각 증분과 속도 증분을 측정하여 위치를 제공하는 스트랩다운(Strapdown) 관성항법장치(Inertial Navigation System)는 관성 센서 뭉치를 회전시켜 관성 센서 오차를 상쇄 시킬 수 있으며, 이런 형태를 회전형 관성항 법장치(Rotational Inertial Navigation system)라 한다[1-5]. 외부의 도움 없이 가속도계와 자이로로 구성된 관성 항법장치는 단독으로 위치, 자세, 속도를 제공할 수있다.
	관성 항법장치는 어디에 사용되어지나?	외부의 도움 없이 가속도계와 자이로로 구성된 관성 항법장치는 단독으로 위치, 자세, 속도를 제공할 수있다. 이러한 장점으로 비관성 센서와 통합되어 무기 체계 등의 항법장치로 널리 사용되고 있다. 그러나 관성센서 오차 및 초기 정렬 오차가 지구회전 각속도와 지구 중력의 상호 관계에 의해서 시간에 따라 위치 오차가 증가하는 특성을 가지고 있다.
	관성 센서 오차를 줄이는 방법은?	이러한 특성을 가지는 관성항법장치의 성능을 개선하는 방법으로 초기 정렬 과정에서 발생하는 초기 자세 오차가 없고 관성 센서의 오차가 static 형태라는 가정하에, 항법중 발생하는 관성 센서의 오차를 관성 센서 뭉치 회전을 통해 상쇄 시키는 회전형 관성항법장치의 연구 들이 많이 진행되었다[6-8]. 관성 센서 오차가 자세 변화를 통해 항법 축에서 항법 오차로 전파되는데, 이때 관성 센서 뭉치를 일정하게 회전 시켜며, 회전 전/ 후 및 회전 중의 오차 전파를 상호 반대 방향으로 만들어 항법 좌표계에서의 관성센서 오차의 총합이 0이되게 할 수 있다. 이러한 이유로 관성 센서 오차는 항법 중 항법축에서 전파되지 않게 되고 관성항법장치의 위치 오차 성능을 상당히 향상 시킬 수 있다.

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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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