관성 항법 시스템

Inertial navigation system
1950년대 MIT에서 개발된 관성 항법 제어 장치.

관성항법장치(INS)는 동작센서(가속계), 회전센서(자이로스코프) 및 컴퓨터를 이용해 외부 참조 [1]없이 움직이는 물체의 위치, 방향, 속도(이동방향 및 속도)를 데드 계산해 연속적으로 계산하는 내비게이션 장치다.종종 관성 센서는 기압 고도계로 보완되며 때로는 자기 센서, (자기계) 및/또는 속도 측정 장치로 보완됩니다.INS는 이동식[2][3] 로봇과 선박, 항공기, 잠수함, 유도 미사일, [4]우주선과 같은 차량에 사용된다.관성 항법 시스템 또는 밀접하게 관련된 장치를 지칭하는 데 사용되는 다른 용어로는 관성 유도 시스템, 관성 계측기, 관성 측정 장치(IMU) 및 기타 많은 변형이 있다.오래된 INS 시스템은 일반적으로 관성 플랫폼을 차량 장착 지점으로 사용했으며, 이 용어는 때때로 동의어로 간주됩니다.

다양한 항법 시스템의 정확도 비교.원의 반지름은 정확성을 나타냅니다.반지름이 작을수록 정확도가 높아집니다.

개요

관성 항법이란 알려진 시작점, 방향 및 속도에 상대적인 물체의 위치와 방향을 추적하기 위해 가속도계와 자이로스코프에 의해 제공되는 측정을 사용하는 자급 항법 기술이다.관성 측정 장치(IMU)는 일반적으로 각 속도와 선형 가속도를 각각 측정하는 3개의 직교 속도 자이로스코프와 3개의 직교 가속도계를 포함합니다.이러한 장치로부터의 신호를 처리함으로써 장치의 위치와 방향을 추적할 수 있습니다.

관성 항법은 항공기, 전술 및 전략 미사일, 우주선, 잠수함 및 선박의 항법 등 다양한 분야에 사용된다.또한 휴대폰 위치 및 추적을 위해 [5][6]일부 휴대폰에 내장되어 있습니다.최근 마이크로 전기 전자 시스템(MEMS)의 구축이 발전함에 따라 작고 가벼운 관성 항법 시스템을 제조할 수 있게 되었다.이러한 진보는 인간과 동물의 움직임 포착과 같은 영역을 포함하도록 가능한 적용 범위를 넓혔다.

관성항법시스템은 적어도 컴퓨터와 가속도계, 자이로스코프 또는 기타 동작검출장치를 포함하는 플랫폼 또는 모듈을 포함한다.INS는 초기 방향과 함께 다른 소스(인간 오퍼레이터, GPS 위성 수신기 등)로부터 위치와 속도를 제공받으며, 이후 동작 센서로부터 수신한 정보를 통합하여 자신의 업데이트된 위치와 속도를 계산합니다.INS의 장점은 초기화 후 위치, 방향 또는 속도를 결정하기 위해 외부 참조가 필요하지 않다는 것입니다.

INS는 지리적 위치의 변화(예: 동쪽 또는 북쪽으로 이동), 속도 변화(이동 속도와 방향) 및 방향 변화(축에 대한 회전)를 감지할 수 있습니다.시스템에 적용되는 선형 가속도 및 각 속도를 측정하여 이를 실현합니다.(초기화 후) 외부 참조가 필요 없기 때문에 방해 및 기만에 대한 면역이 있습니다.

관성 항법 시스템은 많은 다른 움직이는 물체에 사용됩니다.그러나 비용과 복잡성으로 인해 실제 사용 환경에 제약이 따릅니다.

자이로스코프는 관성 기준 프레임에 대한 센서 프레임의 각 속도를 측정합니다.관성 기준 프레임 내의 시스템의 원래 방향을 초기 조건으로 사용하고 각 속도를 적분함으로써 시스템의 현재 방향을 항상 알 수 있다.이것은 눈이 가려진 승객이 언덕을 오르내릴 때 차가 좌우로 회전하거나 위아래로 기울어지는 것을 느낄 수 있는 능력이라고 생각할 수 있다.승객은 이 정보만으로 자동차가 어느 방향을 향하고 있는지 알 수 있지만 얼마나 빠른지 느린지, 옆으로 미끄러지는지는지는 알 수 없다.

가속도계는 센서 또는 차체 프레임에서 움직이는 차량의 선형 가속도를 측정하지만, 움직이는 시스템에 대해 상대적으로만 측정할 수 있는 방향으로 측정됩니다(가속도계는 시스템에 고정되어 있고 시스템과 함께 회전하지만 방향은 인식하지 못합니다).이는 눈가리개를 한 승객이 차량이 가속할 때 좌석에 다시 눌리는 것을 느끼거나 차량이 감속할 때 앞쪽으로 당겨지는 것을 느낄 수 있는 능력으로 간주될 수 있으며, 차량이 언덕 꼭대기를 지날 때 차량이 가속할 때 좌석에 눌리는 것을 느끼거나 자리에서 일어서는 것을 느낄 수 있습니다.d가 하강하기 시작합니다.이 정보만을 바탕으로 차량이 어떻게 가속되는지 알 수 있습니다. 즉, 차량이 전진, 후진, 좌측, 우측, 상향(자동차 천장 방향) 또는 하향(자동차 바닥 방향) 중 어느 방향으로 가속하는지 알 수 없습니다. 차량이 어느 방향으로 가속하는지 알 수 없기 때문입니다.그들이 가속도를 느꼈을 때 지구를 상대하고 있었다.

그러나 시스템의 현재 각속도 및 이동계에 대해 측정된 시스템의 현재 선형가속도를 모두 추적함으로써 관성기준범위 내의 시스템의 선형가속도를 결정할 수 있다.올바른 운동학적 방정식을 사용하여 관성 가속에 대한 통합을 수행(초기 조건으로 원래 속도를 사용)하면 시스템의 관성 속도가 산출되고, 다시 통합(초기 조건으로 원래 위치를 사용)하면 관성 위치가 산출됩니다.이 예에서, 눈을 가리기 전에 눈이 가려진 승객이 차가 어떻게 가리키고 속도가 얼마인지 알고, 차가 어떻게 회전했는지와 그 이후로 가속 및 감속했는지 추적할 수 있다면, 그들은 언제든지 차의 현재 방향, 위치 및 속도를 정확하게 알 수 있습니다.

드리프트 레이트

모든 관성 항법 시스템은 통합 드리프트로 인해 어려움을 겪습니다. 즉, 가속도 및 각속도 측정의 작은 오차가 점차적으로 더 큰 오차로 통합되고, 이 오차는 더 큰 위치 [7][8]오차로 복합됩니다.새로운 위치는 이전에 계산된 위치 및 측정된 가속도 및 각 속도에서 계산되므로 이러한 오차는 초기 위치가 입력된 후 시간에 거의 비례하여 누적됩니다.표준 오차가 10마이크로그램인 최고의 가속도계라도 17분 [9]안에 50미터의 오차가 누적됩니다.따라서 다른 유형의 항법 시스템 입력으로 위치를 주기적으로 수정해야 합니다.

따라서 관성 항법은 보통 다른 항법 시스템을 보완하기 위해 사용되며, 단일 시스템을 사용할 때보다 더 높은 수준의 정확도를 제공한다.예를 들어 지상 사용 시 관성 추적 속도가 정지하여 간헐적으로 0으로 업데이트되면 위치는 훨씬 더 오랜 시간 동안 정밀하게 유지되며 이른바 0 속도 업데이트라고 한다.특히 항공우주 분야에서는 다른 측정 시스템을 사용하여 INS의 부정확성을 판단합니다. 예를 들어 Honeywell LaseRefV 관성 항법 시스템은 GPS 및 공기 데이터 컴퓨터 출력을 사용하여 필요한 항법 성능을 유지합니다.사용되는 센서의 감도가 낮을수록 내비게이션 오류가 발생합니다.현재 자세 및 방향 참조 시스템 등 서로 다른 센서를 결합한 장치가 개발되고 있습니다.항법 오류는 주로 각 속도 및 가속도의 수치 적분에 의해 영향을 받기 때문에 압력 기준 시스템은 각 속도 측정의 하나의 수치 적분을 사용하도록 개발되었습니다.

일반적으로 추정 이론과 특히 [10]칼만 필터링은 다양한 센서의 정보를 결합하기 위한 이론적 프레임워크를 제공한다.가장 일반적인 대안 센서 중 하나는 GPS와 같은 위성 내비게이션 라디오인데, 이것은 직접 하늘을 볼 수 있는 모든 종류의 차량에 사용될 수 있다.실내 애플리케이션은 만보계, 거리 측정 장비 또는 다른 종류의 위치 센서를 사용할 수 있습니다.INS와 다른 시스템(GPS/INS)으로부터의 정보를 적절히 조합하는 것으로, 위치나 속도의 오차가 안정된다.또한 차량이 터널을 통과할 때처럼 GPS 신호를 사용할 수 없는 동안 INS를 단기 폴백으로 사용할 수 있습니다.

2011년에는 민간 차원에서의 GPS 교란이 정부의 [11]관심사가 되었다.이러한 시스템을 방해할 수 있는 능력이 상대적으로 쉽기 때문에 군은 GPS [12]기술에 대한 항법 의존도를 낮추게 되었다.관성항법센서는 GPS와 달리 무선신호에 의존하지 않기 때문에 [13]걸리지 않는다.

2012년, 미 육군 연구소의 연구진은 센서 방해 매개변수(오류)와 군수품 위치 및 [12]속도를 추정하기 위한 칼만 필터 알고리즘을 가진 배열 크기 10의 마이크로 전자 기계 시스템 3축 가속도계와 3축 자이로스코프로 구성된 관성 측정 장치를 보고했다.각 어레이는 6개의 데이터 포인트를 측정하고 시스템은 데이터를 함께 조정하여 내비게이션 솔루션을 제공합니다.하나의 센서가 지속적으로 거리를 초과하거나 과소평가하는 경우 시스템이 조정하여 최종 [14]계산에 대한 손상된 센서의 기여도를 조정할 수 있습니다.

휴리스틱 알고리즘의 추가는 비행의 계산된 거리 오차를 지정된 목표물로부터 120m에서 40m로 줄였다.연구원들은 이 알고리즘을 GPS 또는 레이더 기술과 결합하여 내비게이션 알고리즘을 초기화하고 지원했다.그들은 군수품이 비행하는 동안 여러 지점에서 추적을 중단하고 군수품 착륙의 정확성을 추정했다.42초 비행에서, 10대와 20대 지원의 가용성은 둘 다 목표에서 약 35m 벗어났기 때문에 오차 차이가 거의 없었다.10개가 [12]아닌 100개의 센서 어레이를 사용한 실험에서는 눈에 띄는 차이가 관찰되지 않았습니다.연구진은 이 제한된 실험 데이터가 항법 기술의 최적화와 군사 [14]시스템의 비용 절감을 의미한다고 지적했습니다.

역사

관성 항법 시스템은 원래 로켓용으로 개발되었다.미국의 로켓 기술의 선구자 로버트 고다드는 기본적인 자이로스코프 시스템을 실험했다.고다르의 시스템은 베르너 폰 브라운을 포함한 현대 독일 개척자들에게 큰 관심을 끌었다.이 시스템은 우주선, 유도탄, 상업용 여객기의 등장으로 더 널리 사용되기 시작했다.

초기 독일 제2차 세계 대전 V2 유도 시스템은 비행 중인 로켓의 방위각을 조정하기 위해 두 개의 자이로스코프와 한 개의 횡방향 가속도계를 단순한 아날로그 컴퓨터와 결합했다.아날로그 컴퓨터 신호는 비행 제어를 위해 로켓 배기가스에 있는 네 개의 흑연 방향타를 구동하는 데 사용되었다.V2용 GN&C(Guidance, Navigation, Control) 시스템은 클로즈드 루프 가이던스를 갖춘 통합 플랫폼으로서 많은 혁신을 제공하였습니다.전쟁이 끝나갈 무렵, 폰 브라운은 그의 최고 로켓 과학자 500명을 계획 및 시험 비행체와 함께 미국에게 항복하도록 설계했다.그들은 페이퍼클립 작전의 조항에 따라 1945년 텍사스 주 포트 블리스에 도착했고 이후 1950년[15] 앨라배마 주 헌츠빌로 옮겨져 미군 로켓 연구 프로그램을 위해 일했다.

1950년대 초, 미국 정부는 완전 국내 미사일 유도 프로그램의 개발을 포함한 군사 응용 분야에서 독일 팀에 과도하게 의존하는 것을 방지하고자 했다.MIT계측 연구소(이후 찰스 스타크 드레이퍼 연구소, Inc.)공군 서부 개발 사단에 의해 Convair 샌 디에이고에 새로운 아틀라스 대륙 간 탄도 미사일[16][17][18][19](건설 및 시험 Arma 부문까지 완료되었다면 자장 유도 시스템 백업을 제공하기 위해 선발되었다.AmBosc의 isionh Arma).MIT 태스크의 기술 모니터는 후에 NASA 행정관으로 근무한 엔지니어 Jim Fletcher였습니다.아틀라스 유도 시스템은 선상 자율 시스템과 지상 추적 및 지휘 시스템의 결합이 될 예정이었다.자급자족 시스템은 명백한 이유로 탄도 미사일 적용에서 마침내 우세했다.우주 탐험에서는, 그 두 가지가 혼합되어 남아 있다.

1952년 여름, 리처드 배틴 박사와 J. 할콤 "할" 라닝 박사는 가이던스에 대한 계산 기반의 해법을 연구했고 1954년 아틀라스 관성 가이던스에 대한 초기 분석 작업을 수행했다.Convair의 다른 주요 인사로는 Chief Engineer인 Charlie Bossart와 Walter Schweidetzky가 있었습니다.슈바이데츠키는 제2차 세계대전 중 폰 브라운과 함께 페네문데에서 일했다.

초기 델타 유도 시스템은 기준 궤적에서 위치 차이를 평가했다.VGO를 0으로 하는 것을 목적으로 전류 궤적을 보정하기 위해 속도 획득(VGO) 계산이 이루어진다.이 접근방식의 수학은 기본적으로 유효했지만 정확한 관성 가이던스와 아날로그 컴퓨팅 파워에 대한 도전으로 인해 실패했다.Delta의 대처가 직면한 과제는 Q시스템(Q-guidance 참조)의 가이던스에 의해 극복되었습니다.Q 시스템의 혁명은 행렬 Q에 비산물 유도(및 관련 운동 방정식)의 과제를 묶는 것이었다.Q행렬은 위치 벡터에 대한 속도의 편도함수를 나타낸다.이 접근법의 주요 특징은 벡터 교차 곱(v, xdv, /dt)의 구성 요소를 기본 자동 조종 속도 신호로 사용할 수 있게 해주었으며, 이는 교차 제품 조향으로 알려지게 되었다.Q-시스템은 1956년 6월 21일과 22일 로스앤젤레스 라모 울드리지 사에서 열린 제1회 탄도미사일 기술 심포지엄에서 발표됐다.Q시스템은 1960년대까지 기밀정보였다.이 지침의 파생물은 오늘날의 미사일에 사용된다.

인간 우주 비행 안내

1961년 2월, NASA는 MIT에 아폴로 계획의 지침과 항법 시스템의 예비 설계 연구를 위한 계약을 체결했습니다.MIT와 제너럴모터스(GM)의 델코 일렉트로닉스 사업부는 명령 모듈과 달 모듈을 위한 아폴로 유도 및 항법 시스템의 설계와 생산을 위한 공동 계약을 따냈다.델코는 이들 시스템의 IMU(Inertial Measurement Units)를, 콜스만 인스트루먼트는 옵티컬시스템즈를, 아폴로 가이던스 컴퓨터는 레이시온이 하도급으로 [20][21]제작했다.

우주왕복선의 경우, 개방 루프(피드백 없음) 지침을 사용하여 이륙부터 고체 로켓 부스터(SRB) 분리까지 셔틀을 안내했습니다.SRB 분리 후 1차 우주왕복선 지침은 PEG(Powered Explicit Guidance)로 명명된다.PEG는 원래 "Delta" 시스템(PEG Guidance)의 Q 시스템과 프레딕터 보정 속성을 모두 고려합니다.셔틀의 내비게이션 시스템에 대한 많은 업데이트가 지난 30년 동안 이루어졌지만(예: OI-22 구축의 GPS), 셔틀 GN&C 시스템의 지침 핵심은 거의 진화하지 않았다.유인 시스템 내에는 유도 시스템에 필요한 휴먼 인터페이스가 있습니다.우주인이 시스템의 고객이기 때문에, GN&C가 「비행」의 주된 인터페이스이기 때문에, GN&C에 접촉하는 많은 새로운 팀이 결성되었다.

항공기 관성 유도

상업용 항공기에 인기 있는 INS의 한 예는 완전한 비행 관리 시스템이 보편화되기 며칠 전에 항법의 부분 자동화를 제공했던 델코 회전목마이다.회전목마기는 조종사들이 한 번에 9개의 경유지에 진입할 수 있도록 한 후 항공기 위치와 속도를 결정하기 위해 INS를 사용하여 한 경유지에서 다음 경유지로 항공기를 안내했다.보잉사는 제너럴 모터스의 델코 일렉트로닉스 사업부에 747 항공기의 초기 모델(-100, -200 및 -300)을 위한 최초의 생산 회전목마 시스템을 설계 및 제작하도록 하청했다.747기는 신뢰성을 위해 3개의 회전목마 시스템을 이용했다.이후 Carousel 시스템과 그 파생 모델은 많은 다른 상업 및 군용 항공기에 사용하기 위해 채택되었다.USAF C-141은 이중 시스템 구성에서 회전목마를 사용한 최초의 군용기였으며, 747과 유사한 트리플 INS 구성을 사용한 C-5A가 뒤를 이었다.KC-135A 비행대에는 독립형 INS로 작동하거나 AN/APN-218 도플러 레이더의 도움을 받을 수 있는 단일 회전목마 IV-E 시스템이 장착되었다.일부 특수 임무용 모델 C-135에는 이중 회전목마 IV-E INS가 장착되었습니다. ARINC 특성 704는 상업 항공 운송에 사용되는 INS를 정의합니다.

관성 항법 시스템 상세

비행 중인 항공기의 롤링, 피치 및 요 축을 나타내는 다이어그램
프랑스 IRBMS3의 관성 항법 장치입니다.

INS에는 각도 및 선형 가속도계(위치 변경용)가 있는 관성 측정 장치(IMU)가 포함되어 있으며, 일부 IMU에는 자이로스코프 요소(절대 각도 기준 유지)가 포함되어 있습니다.

각도 가속도계는 우주 공간에서 차량이 어떻게 회전하는지 측정합니다.일반적으로 피치(코 위 및 아래), 요(코 좌우) 및 롤링(조종석에서 시계방향 또는 반시계방향)의 세 축 각각에 대해 최소 하나의 센서가 있습니다.

선형 가속도계는 차량의 비중력 가속도를[22] 측정합니다.상하 3축(좌우, 전진, 후진)으로 이동할 수 있기 때문에 각 축에 선형 가속도계가 있습니다.

컴퓨터는 차량의 현재 위치를 지속적으로 계산합니다.우선, 6개의 자유도(x,y,z 및 θx, θy, θz) 각각에 대해서, 시간의 경과에 따라 감지된 가속도를 중력 추정치와 통합하여 전류 속도를 계산한다.그런 다음 속도를 통합하여 현재 위치를 계산합니다.

컴퓨터가 없으면 관성유도가 어렵다.미니트맨 미사일과 아폴로 계획에 관성유도를 사용하려는 열망은 컴퓨터를 소형화하는 초기 시도를 이끌었다.

관성 유도 시스템은 일반적으로 디지털 필터링 시스템을 통해 위성 내비게이션 시스템과 결합됩니다.관성 시스템은 단기 데이터를 제공하는 반면 위성 시스템은 관성 시스템의 누적 오류를 수정합니다.

지구 표면 근처에서 작동하는 관성 유도 시스템은 차량이 이곳저곳 이동할 때 플랫폼이 지구의 중심을 계속 향하도록 슐러 튜닝을 포함해야 합니다.

기본 스킴

김볼 자이로스트라이제이션

일부 시스템은 선형 가속도계를 김볼이 있는 자이로스터빌라이제이션 플랫폼에 배치합니다.짐벌은 3개의 링으로 구성되어 있으며, 각 링에는 처음에는 한 쌍의 베어링이 직각으로 배치되어 있습니다.플랫폼이 회전 축을 중심으로 꼬이게 합니다(또는 차량이 회전하는 동안 플랫폼이 동일한 방향을 유지하도록 합니다).플랫폼에는 2개의 자이로스코프가 있습니다.

자이로스코프가 입력 토크에 대해 직각으로 비틀리는 경향인 자이로스코프의 세차운동을 취소하기 위해 두 개의 자이로스코프가 사용됩니다.한 쌍의 자이로스코프(동일한 회전 관성을 가지며 반대 방향으로 같은 속도로 회전)를 직각으로 장착하면 세차가 취소되고 플랫폼이 [citation needed]비틀리지 않습니다.

이 시스템을 통해 짐벌의 베어링에서 차량의 롤링, 피치 및 요 각도를 직접 측정할 수 있습니다.선형 가속도계의 방향이 변하지 않기 때문에 비교적 간단한 전자 회로를 사용하여 선형 가속도를 합산할 수 있습니다.

이 계획의 가장 큰 단점은 비싼 정밀 기계 부품을 많이 사용한다는 것이다.또한 마모되거나 걸릴 수 있는 가동 부품이 있으며 짐벌 잠금 장치에 취약합니다.아폴로 우주선의 1차 유도 시스템은 3축 자이로스터빌라이제이션 플랫폼을 사용하여 아폴로 유도 컴퓨터에 데이터를 공급했습니다.짐벌 록을 피하기 위해 기동 작전을 신중하게 계획해야 했다.

유체 현탁 자이로스터빌라이제

짐벌 잠금 장치는 조작을 제한하므로 짐벌의 슬립 링과 베어링을 제거하는 데 도움이 됩니다.따라서 일부 시스템은 유체 베어링 또는 플로테이션 챔버를 사용하여 자이로스터빌라이제이션 플랫폼을 장착합니다.이러한 시스템은 정밀도가 매우 높을 수 있습니다(예: 고급 관성 기준구).모든 자이로스트라이즈 플랫폼과 마찬가지로 이 시스템은 비교적 느린 저전력 컴퓨터에서도 잘 작동합니다.

유체 베어링은 가압된 불활성 가스(헬륨 등) 또는 오일이 플랫폼의 구형 쉘을 누르는 구멍이 있는 패드입니다.유체 베어링은 매우 미끄러우며 구형 플랫폼이 자유롭게 회전할 수 있습니다.일반적으로 4개의 베어링 패드가 있으며, 플랫폼을 지지하기 위해 사면체 배열로 장착됩니다.

프리미엄 시스템에서 각도 센서는 일반적으로 플렉시블 프린트 회로 기판의 스트립으로 제작된 특수 변압기 코일입니다.여러 개의 코일 스트립이 자이로스터빌라이제이션 플랫폼의 구형 셸 주위의 대원에 장착되어 있다.플랫폼 외부의 전자제품은 유사한 띠 모양의 변압기를 사용하여 구형 플랫폼을 감싸고 있는 변압기에 의해 생성되는 다양한 자기장을 읽습니다.자기장이 모양을 바꾸거나 이동할 때마다 외부 변압기 스트립에 있는 코일의 와이어를 절단합니다.절단 시 외부 스트립 모양의 코일에 전류가 발생하며, 전자 장치가 이 전류를 측정하여 각도를 도출할 수 있습니다.

저렴한 시스템은 때때로 방향을 감지하기 위해 바코드를 사용하고 플랫폼에 전력을 공급하기 위해 태양 전지 또는 단일 변압기를 사용합니다.일부 소형 미사일은 창문에서 나오는 빛이나 광섬유로 플랫폼에 동력을 공급한다.연구 주제는 배기가스에 의한 압력으로 플랫폼을 매달아 놓는 것이다.데이터는 변압기를 통해 외부 광다이오드와 통신하는 LED를 통해 외부로 반환됩니다.

스트랩다운 시스템

경량 디지털 컴퓨터는 시스템이 짐벌(gimbal)을 제거하여 스트랩다운(strapdown) 시스템을 만들 수 있게 하는데, 이는 센서가 단순히 차량에 묶여 있기 때문이다.이를 통해 비용이 절감되고 짐벌 잠금 장치가 제거되며 일부 보정이 필요하지 않으며 일부 가동 부품이 제거되어 신뢰성이 향상됩니다.레이트 자이로라고 불리는 각속도 센서는 차량의 각속도를 측정합니다.

스트랩다운 시스템에는 김볼링된 시스템에 필요한 몇 백 배의 동적 측정 범위가 필요합니다.즉, 차량의 피치, 롤링 및 요(Yaw) 자세 변화뿐만 아니라 전체적인 움직임도 통합해야 합니다.짐볼 시스템은 일반적으로 50-60Hz의 업데이트 속도로 잘 작동합니다.그러나 스트랩다운 시스템은 일반적으로 약 2000Hz를 업데이트합니다.항법 시스템이 각 속도를 자세에 정확하게 통합하려면 더 높은 속도가 필요합니다.

관련된 데이터 업데이트 알고리즘(방향 코사인 또는 4분위)은 디지털 전자 장치를 제외하고는 정확하게 수행하기에 너무 복잡합니다.하지만, 디지털 컴퓨터는 이제 매우 저렴하고 빠르기 때문에 자이로 시스템은 실질적으로 사용되고 대량 생산될 수 있다.아폴로 달 탐사선은 예비 중단 안내 시스템(AGS)에 스트랩다운 시스템을 사용했다.

스트랩다운 시스템은 오늘날 상업 및 군사 애플리케이션(항공기, 선박, ROV, 미사일 등)에 일반적으로 사용된다.최첨단 스트랩다운 시스템은 링 레이저 자이로스코프, 광섬유 자이로스코프 또는 반구형 공진기 자이로스코프를 기반으로 합니다.그들은 디지털 전자제품과 칼만 필터와 같은 첨단 디지털 필터링 기술을 사용하고 있다.

모션 베이스 얼라인먼트

자이로스코프 시스템의 방향은 위치 이력(예: GPS)을 통해 간단히 추론할 수 있습니다.이는 특히 속도 벡터가 차체의 방향을 의미하는 평면과 자동차의 경우이다.

예를 들어 Honeywell의 Align in[23] Motion은 항공기가 공중 또는 지상에서 이동하는 동안 초기화가 이루어지는 초기화 프로세스입니다.이는 GPS 및 관성 합리성 테스트를 사용하여 수행되므로 상용 데이터 무결성 요건을 충족할 수 있다.이 프로세스는 최대 18시간의 민간 비행 시간에 대한 정지 정렬 절차와 동등한 순수 INS 성능을 회복하기 위해 FAA 인증을 받았습니다.항공기에 자이로스코프 배터리가 필요하지 않습니다.

진동 자이로스

주요 기사 : 진동 구조 자이로스코프

자동차에서 사용하기 위한 보다 저렴한 내비게이션 시스템은 진동 구조 자이로스코프를 사용하여 방향의 변화를 감지하고 주행 기록계 픽업을 사용하여 차량 트랙을 따라 커버되는 거리를 측정할 수 있습니다.이 유형의 시스템은 고급 INS보다 훨씬 덜 정확하지만 GPS가 기본 내비게이션 시스템이고 건물이나 지형이 위성 신호를 차단할 때 GPS 커버리지의 공백을 메우기 위해 필요한 일반적인 자동차 애플리케이션에 적합합니다.

반구형 공진기 자이로(와인 유리 또는 버섯 자이로)

주요 기사:반구형 공진기 자이로스코프

반구공진구조로 정재파를 유도하여 공진구조를 회전시키면 코리올리력에 의해 구형 고조파 정재파가 석영공진기 구조와는 다른 각도로 회전한다.정재파 패턴에 대한 외부 케이스의 움직임은 총 회전 각도에 비례하며 적절한 전자 장치로 감지할 수 있습니다.시스템 공진기는 뛰어난 기계적 특성으로 인해 용융 석영으로 가공됩니다.정상파를 구동하고 감지하는 전극은 공진기를 둘러싼 별도의 석영 구조에 직접 부착됩니다.이러한 자이로들은 전체 각도 모드(거의 무제한의 속도 성능을 제공) 또는 자이로 하우징에 대해 고정된 방향으로 정재파를 유지하는 힘 재조정 모드(더 나은 정확도 제공)로 작동할 수 있습니다.

이 시스템은 움직이는 부품이 거의 없고 매우 정확합니다.그러나 정밀 연마 비용과 광택이 나는 중공 석영 반구 때문에 여전히 비교적 비싸다.노스롭 그루먼은 현재 HRG를 사용하는 우주선용 IMU(관성측정장치)를 생산하고 있다.이러한 IMU는 1996년 [24]처음 사용된 이후 매우 높은 신뢰성을 보여 왔습니다.Safran은 광범위한 [25]응용 분야에 전용으로 다수의 HRG 기반 관성 시스템을 생산합니다.

쿼츠 레이트 센서

E-Sky 모델 헬리콥터 내부의 석영 속도 센서

이러한 제품에는 "튜닝 포크 자이로"가 포함됩니다.자이는 전자 구동식 음차로서 설계되어 있으며, 종종 석영이나 실리콘의 단일 조각으로 제작됩니다.이러한 자이로스는 변환체에 각도율을 적용하면 코리올리력이 발생한다는 동적 이론에 따라 작동한다.

이 시스템은 보통 실리콘 칩에 내장되어 있습니다.두 개의 질량 균형 쿼츠 튜닝 포크가 있고, "핸들 대 핸들"로 배열되어 있어 강제로 취소됩니다.알루미늄 전극이 포크로 증발하고 기본 칩이 구동 및 움직임을 감지합니다.그 시스템은 제조 가능하고 저렴하다.쿼츠는 치수적으로 안정적이기 때문에 시스템이 정확할 수 있습니다.

포크가 손잡이 축을 중심으로 꼬이기 때문에 같은 운동면에서 타인의 진동이 계속되기 쉽다.이 동작은 타이인 아래의 전극에서 나오는 정전력에 의해 저항해야 합니다.이 시스템은 포크의 두 타인 사이의 캐패시턴스 차이를 측정함으로써 각도 운동 속도를 결정할 수 있다.

최신 비군사 기술(2005년 기준)은 인체 움직임을 측정할 수 있는 소형 고체 센서를 구축할 수 있다.이 장치에는 움직이는 부품이 없으며 무게는 약 50그램(2온스)입니다.

같은 물리 원리를 사용하는 솔리드 스테이트 디바이스는, 소형 카메라나 캠코더로 화상의 안정화에 사용됩니다.5밀리미터(0.20인치) 정도로 매우 작을 수 있으며, 마이크로 일렉트로메트릭 시스템([26]MEMS) 테크놀로지로 구축되어 있습니다.

MHD 센서

주요 기사: MHD 센서

자기유체역학 원리에 기초한 센서는 각속도 측정에 사용될 수 있다.

MEMS 자이로스코프

MEMS 자이로스코프
주요 기사: MEMS 자이로스코프

MEMS 자이로스코프는 일반적으로 각 속도를 측정하기 위해 코리올리 효과에 의존합니다.실리콘에 장착된 공명 방지 질량으로 구성됩니다.자이로스코프는 가속도계와 달리 능동형 센서입니다.프루프 덩어리는 구동 빗에 의해 앞뒤로 밀립니다.자이로스코프의 회전은 질량에 작용하는 코리올리 힘을 발생시켜 다른 방향으로의 움직임을 일으킵니다.이 방향의 운동은 전극으로 측정되며 [27]회전 속도를 나타냅니다.

링 레이저 자이로(RLG)

링 레이저 자이로스코프
주요 기사: 링 레이저 자이로스코프

링 레이저 자이로가 각 모서리에 반사미러를 배치한 온도안정성 세르빗 유리의 삼각형 블록 둘레 주위의 닫힌 원형 광로 내의 좁은 터널을 통해 레이저 광선을 반대 방향의 2개의 빔으로 분할한다.자이로가 어느 정도 각도 속도로 회전할 경우 각 빔이 이동한 거리가 달라지며, 짧은 경로는 회전과 반대입니다.두 빔 사이의 위상 편이는 간섭계로 측정할 수 있으며 회전 속도에 비례합니다(Sagnac 효과).

실제로 낮은 회전 속도에서는 후방 산란으로 인해 빔이 동기화되고 함께 잠기므로 출력 주파수가 0으로 떨어질 수 있습니다.이것은 록인 또는 레이저 록이라고 불립니다.그 결과 간섭 패턴에 변화가 없으며 따라서 측정에도 변화가 없습니다.

역회전하는 광빔을 잠금 해제하기 위해 레이저 자이로에는 2방향(보통 광섬유 자이로)의 독립된 광로가 있거나 레이저 자이로를 입력축에 대해 빠르게 앞뒤로 진동시켜 광파를 분리하는 압전 디더 모터에 장착합니다.

두 광선이 정확히 동일한 경로를 사용하기 때문에 셰이커가 가장 정확합니다.따라서 레이저 자이로스는 움직이는 부품을 유지하지만 멀리까지 이동하지는 않습니다.

광섬유 자이로(FOG)

주요 기사:광섬유 자이로스코프

광자이로스코프의 최근 변형인 광섬유자이로스코프는 광섬유 필라멘트의 긴 스풀(수 킬로미터)에서 외부 레이저와 반대 방향(반전)으로 가는 두 개의 빔을 사용하며, 두 빔의 위상차는 광섬유 스풀을 통과한 후 비교됩니다.

기본 메커니즘인 반대 경로로 이동하는 단색 레이저 빛과 Sagnac 효과는 FOG와 RLG에서 동일하지만, 이전의 레이저 자이로와 비교해 FOG에서 엔지니어링 세부 사항은 상당히 다릅니다.

광섬유 코일의 정밀한 권선은 빛이 반대 방향으로 통과하는 경로가 가능한 한 비슷하도록 하기 위해 필요합니다.FOG는 레이저 링 자이로보다 더 복잡한 보정을 필요로 하므로 FOG의 개발과 제조는 RLG에 비해 기술적으로 더 어렵습니다.단, FOG는 저속에서의 레이저 잠금이 발생하지 않으며 움직이는 부품을 장착할 필요가 없기 때문에 동등한 RLG에 비해 FOG의 잠재적 정확도와 수명이 최대화됩니다.

펜들러 가속도계

개방 루프 가속도계의 원리.위쪽으로 가속하면 질량이 아래로 꺾입니다.

기본 개방 루프 가속도계는 스프링에 부착된 질량으로 구성됩니다.질량은 스프링에 맞춰만 움직이도록 구속됩니다.가속은 질량의 변위를 유발하고 오프셋 거리를 측정합니다.가속도는 편향 거리, 질량 및 스프링 상수 값에서 도출됩니다.또한 진동을 방지하기 위해 시스템을 감쇠해야 합니다.폐루프 가속도계는 편향을 취소하는 피드백 루프를 사용하여 질량을 거의 정지 상태로 유지함으로써 보다 높은 성능을 달성한다.질량이 편향될 때마다 피드백 루프는 전기 코일이 질량에 동일한 음의 힘을 가하여 운동을 취소합니다.가속도는 가해지는 음력의 양에서 도출됩니다.질량이 거의 움직이지 않기 때문에 스프링 및 댐핑 시스템의 비선형성 영향이 크게 감소합니다.또한 이 가속도계는 감지 요소의 고유 주파수를 초과하는 대역폭을 제공합니다.

두 종류의 가속도계는 모두 실리콘 칩에 내장된 마이크로 기계로 제조되었다.

타이밍 관성 측정 장치(TIMU) 센서

DARPA 마이크로시스템즈기술사무소(MTO)는 GPS 내비게이션 [28][29][30]없이 단일 칩에서 절대위치추적을 하는 타이밍관성측정장치(TIMU) 칩을 설계하기 위해 마이크로PNT(Micro-P Technology for Positioning, Navigation and Timing) 프로그램을 개발 중이다.

Micro-PNT는 IMU(Inertial Measurement Unit) 칩에 내장된 고정밀 마스터 타이밍[31] 클럭을 추가하여 타이밍 및 관성 측정 유닛 칩으로 만듭니다.TIMU 칩은 3축 자이로스코프, 3축 가속도계, 3축 자이로미터와 고정밀 마스터 타이밍 클럭을 일체화하여 동시에 모션 트래킹을 측정하여 동기 [28][29]클럭으로부터의 타이밍과 조합할 수 있습니다.

방법

하나의 형태에서 방정식의 네비게이션 시스템은 관성 프레임과 본체 프레임에서 각각 선형 및 각도 측정을 취득하여 NED 기준 프레임에서의 최종 자세 및 위치를 계산한다.

INS Equations Flow diagram.JPG

여기서 f는 특정 힘 는 각속도,는 가속도, R은 위치, { 및 V는 속도, { \ }는 지구의 각속도, g는 중력에 의한 가속도, \ \ ph, lami, lami, lami, display sty로케이션 파라미터또한 E, I 및 B의 슈퍼/서브스크립트는 각각 지구 중심, 관성 또는 신체 기준 프레임의 변수를 나타내며 C는 기준 [32]프레임의 변환이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "Basic Principles of Inertial Navigation Seminar on inertial navigation systems" (PDF). AeroStudents.com. Tampere University of Technology, page 5. Retrieved 17 April 2018.
  2. ^ Bruno Siciliano; Oussama Khatib (20 May 2008). Springer Handbook of Robotics. Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-540-23957-4.
  3. ^ Gerald Cook (14 October 2011). Mobile Robots: Navigation, Control and Remote Sensing. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-02904-6.
  4. ^ NASA.gov
  5. ^ Wan Mohd Yaakob Wan Bejuri, Mohd Murtadha Mohamad, Hadri Omar, Farhana Syed Omar 및 Nurfarah Ain Limin(2019).모바일 관성 항법 시스템을 위한 강력한 특수 전략 재샘플링.혁신적인 테크놀로지와 엔지니어링의 국제 저널.Vol. 9(2), 3196-3024 페이지, 여기를 참조하십시오.
  6. ^ Wan Mohd Yaakob Wan Bejuri, Mohd Murtada Mohamad, Raja Zahilah Raja Mohd Radzi, 셰이크 후사인 샤이크 살레(2019).관성 항법 시스템의 입자 필터링을 위한 개선된 재샘플링 방식컴퓨터 공학 강의 노트제11432권, 555-563페이지, 여기 출판물 참조
  7. ^ Sandeep Kumar Shukla; Jean-Pierre Talpin (5 August 2010). Synthesis of Embedded Software: Frameworks and Methodologies for Correctness by Construction. Springer Science & Business Media. p. 62. ISBN 978-1-4419-6400-7.
  8. ^ 관성 항법 시스템 분석, 케네스 브리팅, Wiley-Intercience, 1971.
  9. ^ S=1/2.a.t^2를 t=distance(2s/a)로 역산하여 계산한다.여기서 s=distance(미터 단위), a는 가속도(여기서 9.8배 g), t는 초 단위 시간이다.
  10. ^ Applied Optimal Estimation, Arthur Gelb(편집자), M.I.T. Press, 1974.
  11. ^ "GPS.gov: Information About GPS Jamming". www.gps.gov. Retrieved 30 July 2018.
  12. ^ a b c Fairfax, Luisa; Fresconi, Frank (April 2012). "Position Estimation for Projectiles Using Low-cost Sensors and Flight Dynamics" (PDF). Archived (PDF) from the original on 2 May 2017.
  13. ^ "Securing military GPS from spoofing and jamming vulnerabilities – Military Embedded Systems". mil-embedded.com. Retrieved 30 July 2018.
  14. ^ a b "New guided munition sensors are greater than sum of their parts". www.army.mil. Retrieved 30 July 2018.
  15. ^ "Sputnik Biographies—Wernher von Braun (1912–1977)". history.nasa.gov. Archived from the original on 28 March 2009.
  16. ^ "Introduction – Engineering360". Globalspec.com. Archived from the original on 20 June 2010.
  17. ^ Battin, R. H. (1982). "Space guidance evolution – A personal narrative". Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 5 (2): 97. Bibcode:1982JGCD....5...97B. doi:10.2514/3.19761.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 파라미터 사용(링크)
  18. ^ Neufeld, Jacob. "Technology Push". history.navy.mil. Archived from the original on 12 December 2012. Retrieved 9 July 2017.
  19. ^ MacKenzie, Donald A. (1993). Inventing Accuracy: A Historical Sociology of Nuclear Missile Guidance. MIT Press. p. 22. ISBN 978-0-262-63147-1.
  20. ^ 1976년 10월 N.M. Alamogordo 국제우주명예의 전당 헌정회의, 아폴로 선내 안내, 항법 및 제어 시스템
  21. ^ C. S. Draper; W. Wrigley; G. Hoag; R. H. Battin; J. E. Miller; D. A. Koso; Dr. A. L. Hopkins; Dr. W. E. Vander Velde (June 1965). "Apollo Guidance and Navigation" (PDF). Web.mit.edu. Archived (PDF) from the original on 11 June 2016. Retrieved 9 July 2017.
  22. ^ Ovid W. Eshbach의 Eshbach 엔지니어링 기초 핸드북, Byron 페이지 9
  23. ^ Weed, D.; Broderick, J.; Love, J.; Ryno, T. (2004). "GPS Align In Motion of civilian strapdown INS". PLANS 2004. Position Location and Navigation Symposium (IEEE Cat. No.04CH37556). PLANS 2004. Position Location and Navigation Symposium (IEEE Cat. No.04CH37556). pp. 184–192. doi:10.1109/PLANS.2004.1308992. ISBN 0-7803-8416-4. S2CID 28811547.
  24. ^ "The Hemispherical Resonator Gyro: From Wineglass to the Planets, David M. Rozelle" (PDF). Northropgrumman.com. Archived (PDF) from the original on 21 September 2013.
  25. ^ Defaiya, Al (4 May 2017). "Al Defaiya – Safran Logs 3,000 Orders for HRG-Based Navigation Systems". Defaiya.com. Retrieved 19 August 2017.
  26. ^ "Epson Toyocom Quartz Gyro sensors – How they work and what's ahead". Findmems.com. Archived from the original on 16 January 2014.
  27. ^ "Gyroscopes". Xsens 3D motion tracking. Retrieved 22 January 2019.
  28. ^ a b "Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing (Micro-PNT)". darpa.mil. Archived from the original on 5 May 2017. Retrieved 9 July 2017.
  29. ^ a b 초소형화: GPS 없이 탐색할 수 있는 7개의 장치, 1개의 칩으로 2017년 3월 7일 웨이백 머신에 보관
  30. ^ "Microfabrication methods to help navigate a day without GPS". darpa.mil. Archived from the original on 30 June 2013. Retrieved 9 July 2017.
  31. ^ "Micro-PNT – Clocks". darpa.mil. Archived from the original on 17 May 2017. Retrieved 9 July 2017.
  32. ^ Stovall, Sherryl H. (September 1997). "Basic Inertial Navigation" (PDF). globalsecurity.org. Archived (PDF) from the original on 6 August 2016. Retrieved 9 July 2017.

추가 정보

외부 링크