초록 ▼

I. 제목 KSR-Ⅲ 유도제어시스템 성능분석(Ⅲ) II. 연구개발의 목적 및 필요성 국내의 유도, 조종, 항법과 관련된 기술은 국내 유도무기의 개발과 연계하여 많은 발전을 거듭해 오고 있다. 그러나 아직 로켓체계의 유도 및 제어관련 설계 기술은 미약한 실정이다. 선진국으로부터 이미 계발된 로켓의 유도제어 기술이나 부품을 도입하는 방법이 있으나 이 또한 어려운 실정이다. 이유는 로켓기술 선진국들의 유도탄기술통제제도(MTCR : Missile Technology Control Regime)에 의거 항법장치와 같은 주요부품의 E

I. 제목 KSR-Ⅲ 유도제어시스템 성능분석(Ⅲ) II. 연구개발의 목적 및 필요성 국내의 유도, 조종, 항법과 관련된 기술은 국내 유도무기의 개발과 연계하여 많은 발전을 거듭해 오고 있다. 그러나 아직 로켓체계의 유도 및 제어관련 설계 기술은 미약한 실정이다. 선진국으로부터 이미 계발된 로켓의 유도제어 기술이나 부품을 도입하는 방법이 있으나 이 또한 어려운 실정이다. 이유는 로켓기술 선진국들의 유도탄기술통제제도(MTCR : Missile Technology Control Regime)에 의거 항법장치와 같은 주요부품의 E/L승인이 어려워 졌으며, 개발중이거나 개발이 완료된 로켓체계관련 기술 도입 및 소프트웨어의 개방을 막고 있기 때문이다. 국내에 축적된 유도, 제어 설계 기술은 KSR-III 체계에 적용되는 유도제어루우프 설계와는 KSR-III 고유의 제원, 공기 역학적 특성, 추진기관의 특성 및 제어기의 특성 등 여러 차이점으로 직접적인 적용이 불가능한 실정이다. 같은 이유로 이미 개발되어있는 선진국의 설계 기술도 직접적인 적용이 아닌 참고로써의 가치이상을 제공하지 못할 것이다. 따라서 체계개발기관이 개발초기부터 완료시점까지 지속적으로 설계 재설계 보완해야하기 때문에 독자적 연구개발이 없이는 완전한 기술 습득은 어렵다. 유도제어루우프 설계의 범용기술인 현대제어이론 및 응용, 신호처리, 시뮬레이션기법 등은 미국, 일본 등의 항공우주제어관련 학술회의를 통해 Public Domain의 정보로서 획득이 가능하고 해외 전문기술인력을 초빙하여 학술적인 지원을 얻을 수 있는 방법이 있다. 그러나 KSR-Ⅲ체계에 직접적으로 적용되는 설계기술의 도입가능성은 전무하다고 판단되고 가능하다고 하더라도 절차의 번거로움과 재정적인 문제가 지대할 것이다. 국가의 개발의지가 주요한 우주발사체분야는 경제성보다는 국민의 자긍심을 고취시키고 국가기술력의 제고 등의 파급효과의 고려가 우선되어야 한다. 최근의 정밀 부품들은 기술선진국들의 로켓체계에 사용된 부품과 부체계 보다 더욱 발전되고 소형경량화가 이루어졌고 더욱 보강된 소프트웨어 개발 Tool을 사용할 수 있기 때문에 KSR-Ⅲ체계개발을 이룩한다면 더 진보된 독자적 기술을 확보할 수 있다. 특히 이러한 기술 개발은 위성발사체를 개발하기 위해서 반드시 거쳐야 하는 과정으로서 국내의 발사체 기술기반을 구축하는데 주요한 이정표를 제공할 것이다. 국가우주개발 중장기 계획에 의거 개발되는 KSR-Ⅲ의 체계의 핵심기술중의 하나인 유도제어설계기술은 체계개발초기부터 완료 시까지 체계의 제원과 변경에 따라 설계와 수정보완을 반복적으로 수행해야 하고 수정이 필요할 경우 설계와 해석이 체계적이면서도 신속 정확히 이루어져야 하므로 체계개발기관이 보유해야만 한다. 이 기술은 저궤도위성을 궤도에 진입시킬 수 있는 바로 전 단계의 기술로서 우주개발의 기술기반을 구축하는데 주요한 역할을 하게 되고, 목표체계에 근간을 두고 수행하게 되므로 체계 지향적이며 범용으로 개발될 수 없는 특색이 있고 앞서 말한바와 같이 선진국으로부터 기술도입은 기대하기 어려운 현실이다. 국가의 우주개발계획의 실천을 위해서도 다가오는 우주산업시대에 대비해서도 우리 나라가 기술개발을 통해 축적을 이루어야 할 필수적인 기술로서 국산화의 의미가 크고 국내의 항공우주산업과 국민의 자긍심, 국가의 기술력향상에 미치는 영향이 지대하다. III. 연구개발의 내용 및 범위 본 연구에 소요되는 유도제어기술은 저궤도 위성을 궤도에 진입시킬 수 있는 전 단계의 기술로서 관성유도, 자세제어, 추력방향조종제어, 추력중단등의 기술을 필요로 하며 이 기술들을 개발하기 위한 유도조종루우프 설계 및 구현, 추력 벡터제어(TVC)용 소프트웨어와 하드웨어, 관성합법장치의 운용 및 오차분석, Hardware-in-the-loop Simulation(HILS) 등을 위한 Tool들의 개발이 선행되어야 한다. 이번 보고서에서는 3단형 과학로켓의 기체 제원에 맞추어 원하는 비행궤적을 위한 유도 알고리듬을 연구, 개발하고 이?제어시스템 성능분석(II)와 KSR-III 유도제어시스템 성능분석(III)에 이어서 KSR-III 완성형 체계에 오차 전달방정식을 적용하여 전체 비행구간에서의 관성항법장치의 오차를 분석한다. 또한, 관성항법장치의 초기정렬 기법의 성능 개선 방법에 대해 연구한다. 먼저 기존의 초기정렬 기법에 대해 소개하고 KSR-III 유도제어시스템 성능분석(III)와는 다른 조건에서의 초기 정렬을 위한 새로운 기법을 제시하고 이 방법의 성능을 시뮬레이션을 통해 분석한다. 다음으로, 비행시간에 따라 지수함수로 증가하는 특성을 가진 관성항법장치의 오차 특성을 안정화시키기 위하여 GPS 수신기의 측정 정보를 활용한 항법 오차 보정 필터 설계에 대한 연구를 한다. 관성항법장치와 GPS가 갖고 있는 각각의 이점을 살려 항법 유도 성능에 도움을 줄 수 있는 보정 필터를 설계하고 필터의 성능을 시뮬레이션을 통해 분석한다. On-off 추력기를 가지는 로켓의 롤축 제어시스템에 관한 연구를 수행하였다. On-off 추력기로서는 슈미트 트리거, pulse-width pulse-frequency (PWPF) modulator, derived-rate modulator (DRM), 개회로 pulse-width modulator (PWM), 폐회로 PWM 등이 널리 쓰이는데, 이들 추력기 각각의 매개변수에 따른 특성을 살펴보았다. On-off 추력기를 사용하는 시스템은 비선형성이 강하므로 해석적인 분석이 어려움으로 대개의 경우 수치적인 분석을 수행한다. 본 연구에서는 on-off 추력기를 사용한 제어기 설계를 위하여, 제어기 매개변수를 결정할 수 있는 알고리듬을 제시하였다. 제안한 알고리듬에 따라 설계된 롤축 제어기에 대하여, 외란, 핀의 유연모드 동역학, 센서동역학, 추력기 시간지연 효과를 포함한 수치 시뮬레이션을 수행하여, 각각의 제어기 특성을 비교하여 제시한다. 로켓에 작용하는 횡방향 구조하중은 파괴와 같은 심각한 영향을 초래할 수 있다. 피치 프로그램은 이러한 횡방향 구조하중을 경감시켜 준다. 그러나 로켓의 내부 변수 불확실성이나 바람과 같은 외란은 받음각 또는 동압을 증가시켜 횡방향 구조하중을 증가시킬 수 있다. 본 연구에서는 이러한 불확실성이나 외란이 존재할 때 이들을 효과적으로 추정하여 제거함으로써 로켓이 피치 프로그램에 의한 비행상태를 유지하도록 하는 외란 적응제어기를 설계한다. IV. 연구개발결과 관성항법장치의 새로운 초기정렬기법에 대한 연구를 하였다. 우선 관성항법장치가 발생시키는 항법오차를 얻기 위해서 KSR-III 유도제어시스템 성능분석(II)의 연구결과인 관성항법장치의 오차전달방정식을 소개하였고 기존의 초기정밀정렬 알고리듬을 정리하였다. 또한 기존의 관성항법오차 모델 중에서 가관측성이 있는 상태변수들로만 구성된 새로운 시스템 모델을 형성하고 시간에 따라 변화하는 오차 요인들에 대한 새로운 추정 기법인 IMM 알고리듬을 적용하는 과정을 보였으며 최소자승오차 해를 이용하는 Multiheading Alignment 방식을 이용하여 관성항법장치의 오차를 추정 그 결과를 시뮬레이션을 통해 성능을 분석하였다. 또한 관성항법장치의 오차가 계속해서 누적되고 발산하여 항법 유도 성능에 좋지 않은 영향을 주었기에 관성항법장치에 보조 항법 장치인 위성항법장치(GPS)를 이용하는 항법 보정 필터를 설계하였다. 위성항법장치를 보조항법장치로 사용하여 보정 성능에 좋은 영향을 줄 수 있으나 전체 시스템에 미치는 영향을 고려할 필요가 있었기에 그 결과들을 시뮬레이션을 통해 분석했다. 다음으로 on-off 추력기를 사용한 제어기 설계를 위하여, 제어기 매개변수를 결정할 수 있는 알고리듬을 제시하였고 제안한 알고리듬에 따라 설계된 롤축 제어기에 대하여, 외란, 핀의 유연모드 동역학, 센서동역학, 추력기 시간지연 효과를 포함한 수치 시뮬레이션을 수행하여, 각각의 제어기 특성을 비교하였다.또한 로켓의 횡방향 구조하중의 증가에 원인이 되는 내부 변수 불확실성이나 바람과 같은 외란이 존재할 때 이들을 효과적으로 추정하여 제거함으로써 로켓이 피치 프로그램에 의한 비행상태를 유지하도록 하는 외란 적응제어기를 설계하였고 수치 시뮬레이션을 수행하여 설계된 제?? 5차년도 연구결과를 바탕으로 차기년도에 관성항법장치켓의 롤축 제어시스템 및 외란 적응제어기 등의 KSR-III 유도제어 시스템 설계 연구에 활용할 예정이다.

Abstract ▼

The objective of this research is to design and evaluate the guidance and control system of the KSR-III. Firstly, A new Initial Fine Alignment method for INS is performed using the IMM Algorithm. INS error Analysis using error propagation equation is introduced and followed by explanation of existin

The objective of this research is to design and evaluate the guidance and control system of the KSR-III. Firstly, A new Initial Fine Alignment method for INS is performed using the IMM Algorithm. INS error Analysis using error propagation equation is introduced and followed by explanation of existing alignment methods. To accommodate time varying gyro drift rates during the alignment phase, We introduce the IMM Algorithm. The performance of the proposed method is executed by a series of computer simulation runs. Secondly, To prevent exponentially diverging performance of the height channel of the existing INS, an augmented inertial navigation method based on a GPS receiver is studied with proper filter design. Performance of the proposed technologies are tested by a series of computer simulation studies. Thirdly, Roll control system analysis is performed using on-off thrusters. Because the roll control system including on-off thrusters is basically nonlinear system and the thruster output has only the values of -1, 0, or 1, numerical approach rather than analytic approach is necessary. Schmidt trigger, pulse-width pulse-frequency (PWPF) modulator, derived-rate modulator (DRM), open-losop pulse-width modulator (PWM), and closed-loop PWM are considered as the on-off thrusters in this research. The controller design algorithms are proposed using these on-off thrusters. Numerical simulations including various effects such as time-varying disturbance, flexible dynamics, sensor dynamics, and controller time delay are performed. Finally, A lateral load acting on the rocket causes the serious effect such as crush. To prevent this situation, we can use the pitch program for the load relief. However, the internal uncertainty or wind disturbance increases the angle of attack or dynamic pressure, which increases the lateral load. In this study, we propose the disturbance accommodating controller, which holds the almost same flight status as that of the pitch program even though the uncertainty and disturbance are in the rocket.

목차 Contents

• 기호설명...17
• I. 서론...19
• II. INS의 초기정렬 성능 개선...24
• 2.1 관성 항법 장치...24
• 2.1.1 관성 항법 장치의 오차...25
• 2.1.2 오차 모델...25
• 2.2 오차 방정식...28
• 2.2.1 항법 오차 방정식...28
• 2.2.2 오차 전달 방정식...30
• 2.3 관성 항법 장치의 초기 개략 정렬...33
• 2.3.1 초기 개략 정렬 알고리듬...34
• 2.4 관성 항법 장치의 초기 정밀 정렬...36
• 2.4.1 10차 오차 모델의 분석...37
• 2.4.2 7차 오차 모델...39
• 2.4.3 12차 오차 모델의 분석...40
• 2.4.4 9차 오차 모델...41
• 2.4.5 IMM 알고리듬의 특성...43
• 2.4.6 Multiheading Alignment...47
• 2.5 IMM을 이용한 정밀 정렬 시뮬레이션...51
• 2.5.1 7차 모델의 시뮬레이션 및 결과...51
• 2.5.2 9차 모델의 시뮬레이션 및 결과...58
• III. 항법 오차 보정 필터 설계...66
• 3.1 보정 방법...67
• 3.1.1 위성 항법 시스템 (GPS)...67
• 3.2 칼만 필터의 기준 모델...69
• 3.2.1 기준 시스템 모델...69
• 3.3 시뮬레이션 결과...73
• IV. On-off 추력기를 이용한 제어기 설계...96
• 4.1 On-off 추력기의 종류 및 특성...96
• 4.1.1 슈미트 트리거...96
• 4.1.2 PWPF modulator와 DRM...98
• 4.1.3 PWM...101
• 4.2 롤축 제어기 설계...103
• 4.2.1 롤축 제어기 구조...103
• 4.2.2 제어기 매개변수 설계 알고리듬...105
• 4.3 시뮬레이션 및 결과...107
• 4.3.1 시뮬레이션 모델...107
• 4.3.2 슈미트 트리거...111
• 4.3.3 PWPF modulator와 DRM...117
• 4.3.4 개회로 PWM...122
• 4.3.5 폐회로 PWM...129
• 4.4 롤축 제어기에 대한 검토...132
• V. 외란 적응제어기법을 이용한 로켓 제어...133
• 5.1 KSR- 로켓의 운동방정식...133
• 5.1.1 좌표계...134
• 5.1.2 좌표변환...136
• 5.1.3 동력학 방정식...137
• 5.1.4 불확실성을 포함한 동력학 방정식...139
• 5.1.5 외란을 포함한 동력학 방정식...140
• 5.1.6 운동학 방정식...141
• 5.2 센서 측정방정식...142
• 5.2.1 가속도계 센서 출력 모델...142
• 5.2.2 상태벡터 추정...143
• 5.2.3 칼만 필터 알고리듬...145
• 5.3 외란 적응제어기법...146
• 5.3.1 개념적 접근...146
• 5.3.2 외란모델의 상태공간 모델...147
• 5.3.3 외란 적응제어 입력...148
• 5.3.4 외란 관측기...149
• 5.4 외란 적응제어기 설계...150
• 5.4.1 시스템 모델의 상태공간 모델...150
• 5.4.2 외란모델의 상태공간 모델...151
• 5.4.3 외란 상태벡터 관측기...152
• 5.4.4 외란제거 입력...153
• 5.5 시뮬레이션...154
• 5.5.1 시뮬레이션 - Case (a) 피치 프로그램에 의한 기준궤적...154
• 5.5.2 시뮬레이션 - Case (b) 불확실성이 존재하는 경우...159
• 5.5.3 시뮬레이션 - Case (c) 바람이 존재하는 경우...169
• 5.5.4 시뮬레이션 - Case (d) 센서 오차에 의한 영향...179
• 5.6 결론 및 향후과제...185
• VI. 5차년도 연구결과 정리...186
• 참고문헌...189