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KR20030044685A - 수중 항법시스템 - Google Patents

수중 항법시스템 Download PDF

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KR20030044685A
KR20030044685A KR1020010075526A KR20010075526A KR20030044685A KR 20030044685 A KR20030044685 A KR 20030044685A KR 1020010075526 A KR1020010075526 A KR 1020010075526A KR 20010075526 A KR20010075526 A KR 20010075526A KR 20030044685 A KR20030044685 A KR 20030044685A
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kalman filter
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KR1020010075526A
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Inventor
윤선일
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명은 수중 항법시에도 관성 측정장치(IMU)를 위성을 이용한 지구위치 측정시스템(GPS), 경사계 및 자력계등의 보조 센서를 이용하여 위치, 속도, 방향 및 자세를 추정, 유지할 수 있는 수중 항법시스템을 개시한다. 개시된 본 발명은 위치, 속도, 자세 및 방향 정보를 제공하는 6자 유도 3축 관성 측정장치; 위치, 속도, 자세 및 방향 정보를 제공하는 지구 항법 시스템; 3축의 자세 정보를 제공하는 3축 경사계; 방향 및 자세 정보를 제공하는 3축 자력계; 상기 6자 유도 3축 관성 측정장치와 상기 지구위치 측정시스템으로부터 속도 정보를 결합하는 속도 칼만 필터; 상기 6자 유도 3축 관성 측정장치, 지구 항법 시스템 및 3축 자력계로부터 방향 정보를 결합하는 방향 칼만 필터; 상기 6자 유도 3축 관성 측정장치, 지구 항법 시스템, 3축 자력계 및 3축 경사계로부터 자세 정보를 결합하는 자세 칼만 필터; 및 상기 6자 유도 3축 관성 측정장치, 지구 항법 시스템, 속도 칼만 필터 및 방향 칼만 필터로부터 위치 정보를 결합하는 위치 칼만 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 항법시스템.

Description

수중 항법시스템{SYSTEM FOR UNDERWATER NAVIGATION}
본 발명은 항법시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수중 항해시 6자 유도 3축의 관성측정장치(IMU)와 지구위치 측정시스템(GPS), 경사계 및 자력계 등의 보조센서를 이용하여 항법 오차를 개선함으로써 보다 정확하고 안정된 위치와 자세등의 항법이 가능한 수중 항법시스템에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 GPS/INS 결합 방식의 자세 추정시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, GPS 위성이 송신하는 신호의 반송파 위상 신호를 측정하는 지구위치 측정시스템(GPS)(1)과, 위치, 자세 및 속도 정보를 제공하는 관성 항법시스템(INS)(3)과, 다른 항법 정보를 제공하는 기준부(5)와, 상기 지구위치 측정시스템(1)으로부터 의사 거리와 캐리어 위상 신호와 상기 관성 항법시스템(3)으로부터 위치, 속도 및 자세 정보를 인가 받아 비교, 보정하는 제1 칼만 필터(7)와, 상기 관성 항법시스템(3)으로부터 위치, 속도 및 자세 정보와 상기 기준부(5)로부터 항법 정보를 인가 받아 비교, 보정하는 제2 칼만 필터(9)와, 상기 제1 및 제2 칼만 필터(7, 9)로부터 비교된 신호들을 인가 받아 정밀한 자세를 추정하는 다중 센서 혼합기(10)를 포함한다.
상기와 같은 구성을 갖는 항법시스템은 다음과 같이 동작한다.
먼저, 지구위치 측정시스템(1)으로부터 위치원의 반송파 위상 신호 정보와 의사 거리 정보를 얻어서, 미지정수 결정 알고리즘을 통해 결정된 미지정수를 상기 제1 칼만 필터(7)에 인가하고, 상기 관성 항법시스템(3)으로부터 위치, 속도 및 자세 정보를 얻어서, 상기 제1 칼만 필터(7)에 인가한다. 상기 제1 칼만 필터(7)에서는 위치, 속도, 자세, 반송파 위상 신호 및 의사 거리 정보를 결합하여 최적의 위치, 속도 및 자세 값을 상기 다중 센서 혼합기(10)에 인가하고, 보정된 값을 다시 상기 지구위치 측정시스템(1)과 관성 항법시스템(3)에 인가한다.
마찬가지로, 상기 제2 칼만 필터(9)에서는 상기 관성 항법시스템(3)으로부터 위치, 속도 및 자세 정보와 상기 기준부(5)로부터 항법 정보를 인가 받아 결합한후, 최적의 위치, 속도 및 자세 값을 상기 다중 센서 혼합기(10)에 인가하고, 보정된 값을 다시 상기 관성 항법시스템(3)에 인가한다.
이렇게 상기 제1 및 제2 칼만 필터(7, 9)에서 정해진 값을 인가 받은 상기 다중 센서 혼합기(10)에서는 가장 최적의 지표상의 위치를 추정하게 된다.
그러나, 상기에서 사용되는 관성 항법시스템은 바이어스와 드리프트로 인해서 시간에 따라 오차가 누적되어 정확한 위치를 파악하기 어려운 문제가 있다.
또한, 상기 지구위치 측정시스템은 수중에서는 사용할 수 없어, 수중에서 최적의 위치와 자세를 추종하는 곳에서는 사용할 수 없으므로, 종래 사용되었던 지구위치 측정시스템과 관성 항법시스템의 결합 시스템은 수중에서 이동하는 물체에는 사용할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수중에서의 자세와 위치를 컨트롤하기 위하여 지구위치 측정시스템과 6자 유도 3축 관성 측정장치를 결합 사용하여, 수중에서의 정확한 자세와 위치 값을 얻을 수 있는 수중 항법시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 GPS/INS 결합 방식의 자세 추정시스템의 구성을 도시한 블럭도.
도 2는 본 발명에 따른 수중 항법 시스템의 구성을 도시한 블럭도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
11: 6자 유도 3축 관성 측정장치(IMU) 12: 지구위치 측정시스템(GPS)
13: 3축 경사계 14: 3축 자력계
15: 속도 칼만 필터 16: 방향 칼만 필터
17: 자세 칼만 필터 18: 위치 칼만 필터
상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 수중 항법시스템은,
위치, 속도, 자세 및 방향 정보를 제공하는 6자 유도 3축 관성 측정장치;
위치, 속도, 자세 및 방향 정보를 제공하는 지구 항법 시스템;
3축의 자세 정보를 제공하는 3축 경사계;
방향 및 자세 정보를 제공하는 3축 자력계;
상기 6자 유도 3축 관성 측정장치와 상기 지구위치 측정시스템으로부터 속도 정보를 결합하는 속도 칼만 필터;
상기 6자 유도 3축 관성 측정장치, 지구 항법 시스템 및 3축 자력계로부터 방향 정보를 결합하는 방향 칼만 필터;
상기 6자 유도 3축 관성 측정장치, 지구 항법 시스템, 3축 자력계 및 3축 경사계로부터 자세 정보를 결합하는 자세 칼만 필터; 및
상기 6자 유도 3축 관성 측정장치, 지구 항법 시스템, 속도 칼만 필터 및 방향 칼만 필터로부터 위치 정보를 결합하는 위치 칼만 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 수중에서도 GPS를 IMU와 함께 사용하도록 하고, 경사계, 자력계 및 IMU를 칼만 필터와 결합하여 정밀한 항법시스템을 구현하였다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 수중 항법 시스템의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 수중 항법시스템은 위치, 속도, 자세 및 방향 정보를 감지하는 3축 관성측정장치(IMU)(11)와, 위성을 통하여 수면 위에 노출된 안테나를 통하여 위치, 속도, 자세 및 방향을 측정하는 지구위치 측정시스템(GPS)(12)과, 3축 방향의 자세 정보를 제공하는 3축 경사계(13)와, 방향 및 자세 정보를 제공하는 3축 자력계(14)와, 상기 3축 관성 측정장치(11)와 지구위치 측정시스템(12)으로부터 속도 정보를 인가 받아 결합하는 속도 칼만 필터(15)와, 상기 3축 관성 측정장치(11), 지구위치 측정시스템(12) 및 3축 자력계(14)로부터 방향 정보를 인가 받아 결합하는 방향 칼만 필터(16)와, 상기 3축 관성 측정장치(11), 지구위치 측정시스템(12), 3축 경사계(13) 및 3축 자력계(14)로부터 자세 정보를 인가 받아 결합하는 자세 칼만 필터(17)와, 상기 3축 관성 측정장치(11), 지구위치 측정시스템(12), 속도 칼만 필터(15) 및 방향 칼만 필터(16)를 인가 받아 결합하는 위치 칼만 필터(18)를 포함하여 구성되어 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 수중 항법시스템은 다음과 같이 동작한다.
상기 지구위치 측정시스템(12)은 GPS 위성이 송신하는 항법 메시지를 사용자가 GPS 수신기를 이용하여 수신하고, 항법 알고리즘을 통해 위치, 속도, 방향, 자세, 시간 등을 측정하는 시스템이다. 그러나, 수중에서는 전파의 전송이 되지 않으므로 수중 일정 깊이에 위치할 때는 수면 위로 안테나를 연결하여 수중 속의 위치, 속도, 자세 및 방향 정보를 수신한다. 또한, 상기 6자 유도 3축 관성 측정장치(11)는 각속도와 가속도를 측정하여 위치, 속도, 자세 및 방향을 계산하고, 3축 경사계(13)와 3축 자력계(14)는 수중 속에서의 자세 및 방향을 측정한다.
상기와 같이 각각의 센서에서 감지된 위치, 속도, 자세 및 방향 정보는 상기 속도 칼만 필터(15), 방향 칼만 필터(16), 자세 칼만 필터(17) 및 위치 칼만 필터(18)에 입력되어 수중 속에서의 정확한 자세와 위치를 측정할 수 있게 된다.
먼저, 수면으로부터 일정 거리 밑으로 항해하는 경우는 지상 항법시스템을 함께 사용할 수 있으므로, 상기 3축 관성 측정장치(11)와 지구위치 측정시스템(12)으로부터 속도 정보를 인가 받은 상기 속도 칼만 필터(15)는 속도 정보를 결합하여 최적의 값을 상기 위치 칼만 필터(18)에 전송하고, 상기 3축 관성 측정장치(11)와 지구위치 항법시스템(12)으로부터 방향 정보를 인가 받은 상기 방향 칼만 필터(16)는 방향 정보를 결합하여 최적의 값을 마찬가지로 상기 위치 칼만 필터(18)에 전송한다.
그리고, 상기 위치 칼만 필터(18)는 상기 3축 관성 측정장치(11)와 지구위치 측정시스템(12)으로부터 직접 위치 정보를 인가 받아 상기 방향 칼만 필터(16)와 속도 칼만 필터(15)에서인가 받은 정보와 결합하여 최적의 위치 얻는다.
상기 3축 관성 측정장치(11), 지구위치 측정시스템(12), 3축 경사계(13) 및 3축 자력계(14)로부터 자세 정보를 인가 받은 상기 자세 칼만 필터(17)는 칼만 알고리즘을 이용하여 최적의 자세를 얻는다.
상기에서 설명한 지구위치 측정시스템(12)이 사용되는 경우에는 수면으로부터 일정 거리만 떨어진 수중에서 항해하는 경우지만, 심해로 들어갈 경우에는 상기 3축 관성 측정장치(11), 3축 경사계(13) 및 3축 자력계(14)를 이용하여 위치와 자세 값을 얻는다. 심해에서 최적의 위치와 자세 값을 얻는 방식은 상기 도 2에서 상기 지구위치 측정시스템(12)의 위치, 속도, 자세 및 방향 정보 만을 칼만 필터에 인가하지 않고 모두 동일한 방식에 의하여 구한다.
따라서, 본 발명은 수중에서의 위치와 자세를 분석하고, 최적의 값을 얻는데 어려움이 많았고, 오차율도 높았으나 지상에서 위치와 자세를 얻는 지구위치 측정시스템과 수중에서 위치와 자세를 얻는 3축 관성 측정장치 등을 결합하거나, 각각사용할 수 있으므로, 수중에서의 정화한 위치 및 자세 값을 얻을 수 있다.
이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 수중에서 지구위치 측정시스템(GPS), 3축 관성 측정장치(IMU), 3축 경사계 및 3축 자력계를 결합하여 사용하여 더욱 정확한 위치 및 자세를 얻을 수 있다.
또한, 종래 바이어스와 드리프트에 의한 오차를 개선할 수 있어, 보다 안정된 항해를 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (1)

  1. 위치, 속도, 자세 및 방향 정보를 제공하는 6자 유도 3축 관성 측정장치;
    위치, 속도, 자세 및 방향 정보를 제공하는 지구 항법 시스템;
    3축의 자세 정보를 제공하는 3축 경사계;
    방향 및 자세 정보를 제공하는 3축 자력계;
    상기 6자 유도 3축 관성 측정장치와 상기 지구위치 측정시스템으로부터 속도 정보를 결합하는 속도 칼만 필터;
    상기 6자 유도 3축 관성 측정장치, 지구 항법 시스템 및 3축 자력계로부터 방향 정보를 결합하는 방향 칼만 필터;
    상기 6자 유도 3축 관성 측정장치, 지구 항법 시스템, 3축 자력계 및 3축 경사계로부터 자세 정보를 결합하는 자세 칼만 필터; 및
    상기 6자 유도 3축 관성 측정장치, 지구 항법 시스템, 속도 칼만 필터 및 방향 칼만 필터로 부터 위치 정보를 결합하는 위치 칼만 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 항법시스템.
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