관성항법장치

관성항법장치(慣性航法装置, 영어: inertial navigation system, INS, 관성 유도 장치, 관성 기기)는 운동 센서(가속도계)와 회전 센서(자이로스코프) 및 컴퓨터를 사용하여 외부 참조 없이 추측 항법으로 움직이는 물체의 위치, 자세 및 속도(이동 방향 및 속도)를 지속적으로 계산하는 항법 장치이다.^[1] 종종 관성 센서는 기압 고도계와 때로는 자기 센서(자기계) 및 속도 측정 장치로 보완된다. INS는 이동 로봇^[2][3] 및 선박, 항공기, 잠수함, 유도 미사일, 우주선과 같은 차량에 사용된다.^[4] 구형 INS 시스템은 일반적으로 관성 플랫폼을 차량에 장착하는 지점으로 사용했으며, 이 용어들은 때때로 동의어로 간주되기도 한다.

1950년대 MIT에서 개발된 관성 항법 제어

다양한 항법 시스템의 정확도 비교: 원의 반지름은 정확도를 나타낸다. 반지름이 작을수록 정확도가 높다.

설계

관성 항법은 가속도계와 자이로스코프에서 제공되는 측정값을 사용하여 알려진 시작점, 자세 및 속도에 대한 물체의 위치와 자세를 추적하는 자율적인 항법 기술이다. 관성 측정 장비(IMU)는 일반적으로 세 개의 직교 각속도 자이로스코프와 세 개의 직교 가속도계를 포함하며, 각각 각속도와 선형 가속도를 측정한다. 이러한 장치에서 신호를 처리하여 장치의 위치와 자세를 추적할 수 있다.

관성항법장치에는 최소한 컴퓨터와 가속도계, 자이로스코프 또는 기타 동작 감지 장치를 포함하는 플랫폼 또는 모듈이 포함된다. INS는 처음에 다른 소스(사람 조작자, GPS 위성 수신기 등)로부터 초기 위치와 속도를 제공받고, 초기 자세와 함께 이후 동작 센서로부터 받은 정보를 통합하여 자체 업데이트된 위치와 속도를 계산한다. INS의 장점은 초기화된 후에는 위치, 자세 또는 속도를 결정하기 위해 외부 참조가 필요하지 않다는 것이다.

INS는 지리적 위치의 변화(예를 들어 동쪽 또는 북쪽으로 이동), 속도의 변화(이동 속도 및 방향), 자세의 변화(축을 중심으로 회전)를 감지할 수 있다. 이것은 시스템에 가해지는 선형 가속도와 각속도를 측정함으로써 이루어진다. 초기화 후 외부 참조가 필요 없기 때문에 재밍 및 기만에 면역이다.

자이로스코프는 관성 좌표계에 대한 센서 프레임의 각 변위를 측정한다. 관성 좌표계에서 시스템의 원래 자세를 초기 조건으로 사용하고 각 변위를 적분하면 시스템의 현재 자세를 항상 알 수 있다. 이것은 자동차의 눈가림된 승객이 자동차가 좌우로 회전하거나 언덕을 오르내릴 때 위아래로 기울어지는 것을 느끼는 능력으로 생각할 수 있다. 이 정보만으로 승객은 자동차가 어느 방향을 향하고 있는지 알지만, 얼마나 빠르거나 느리게 움직이는지, 또는 옆으로 미끄러지고 있는지는 알지 못한다.

가속도계는 센서 또는 차체 프레임에서 움직이는 차량의 선형 가속도를 측정하지만, 움직이는 시스템에 대해서만 측정할 수 있는 방향으로 측정한다(가속도계는 시스템에 고정되어 시스템과 함께 회전하지만 자체 자세를 인식하지 못하기 때문). 이것은 자동차의 눈가림된 승객이 차량이 앞으로 가속할 때 좌석에 뒤로 눌리거나, 속도를 줄일 때 앞으로 당겨지는 것을 느끼는 능력으로 생각할 수 있다. 또한 차량이 언덕을 오르거나 경사로를 가속할 때 좌석에 눌리거나, 자동차가 언덕의 정점을 지나 내려가기 시작할 때 좌석에서 솟아오르는 것을 느낄 수 있다. 이 정보만으로 그들은 차량이 자신에 대해 어떻게 가속하고 있는지, 즉 차량의 지붕 방향으로 위로, 바닥 방향으로 아래로, 앞으로, 뒤로, 왼쪽으로, 오른쪽으로 가속하고 있는지를 차량에 대해 측정하여 알지만, 가속을 느꼈을 때 자동차가 지구에 대해 어느 방향을 향하고 있는지 알지 못했기 때문에 지구에 대한 방향은 알지 못한다.

그러나 시스템의 현재 각속도와 움직이는 시스템에 대해 측정된 시스템의 현재 선형 가속도를 모두 추적함으로써 관성 좌표계에서 시스템의 선형 가속도를 결정할 수 있다. 올바른 운동 방정식을 사용하여 관성 가속도에 대해 통합(원래 속도를 초기 조건으로 사용)하면 시스템의 관성 속도를 얻고, 다시 통합(원래 위치를 초기 조건으로 사용)하면 관성 위치를 얻는다. 예를 들어, 눈가림된 승객이 눈가림되기 전에 자동차가 어느 방향을 향하고 있었고 그 속도가 얼마였는지 알았고, 그 이후로 자동차가 어떻게 회전하고 어떻게 가속 및 감속했는지를 모두 추적할 수 있다면, 언제든지 자동차의 현재 자세, 위치 및 속도를 정확하게 알 수 있다.

사용

관성 항법은 항공기, 전술 및 전략 미사일, 우주선, 잠수함 및 선박의 항법을 포함한 광범위한 응용 분야에서 사용된다. 또한 모바일 전화 위치 및 추적 목적으로 일부 휴대폰에 내장되어 있다.^[5][6] 미세전기기계 시스템(MEMS)의 구성에서 최근의 발전은 작고 가벼운 관성항법장치를 제조하는 것을 가능하게 했다. 이러한 발전은 인간 및 동물 모션 캡처와 같은 분야를 포함하여 가능한 응용 분야의 범위를 넓혔다.

관성항법장치는 다양한 움직이는 물체에 사용된다. 그러나 비용과 복잡성 때문에 사용하기 실용적인 환경에 제약이 따른다.

관성 기술의 사용을 최적으로 지원하기 위해, 1965년에 독일에서 관성 센서의 사용자, 제조업체 및 연구자들을 한자리에 모으기 위한 관성 센서 기술 실무 그룹이 설립되었다. 이 실무 그룹은 지속적으로 발전하여 오늘날 DGON ISA 관성 센서 및 응용 심포지엄으로 알려져 있으며, 60년 이상 동안 관성 기술 분야의 선도적인 컨퍼런스이다. 약 200명의 국제 참가자가 참석하는 이 심포지엄 DGON / IEEE ISA은 매년 10월 독일에서 개최된다. 지난 60년 이상의 모든 DGON ISA 컨퍼런스 출판물을 이용할 수 있다.

드리프트율

모든 관성항법장치는 통합 드리프트로 인해 발생하는 오차가 있다. 가속도와 각속도 측정의 작은 오차는 속도에서 점진적으로 더 큰 오차로 통합되고, 이는 다시 위치에서 더 큰 오차로 확대된다.^[7][8] 새로운 위치는 이전에 계산된 위치와 측정된 가속도 및 각속도에서 계산되므로, 이러한 오차는 초기 위치가 입력된 시간과 대략 비례하여 누적된다. 표준 오차가 10 마이크로-g인 최고의 가속도계조차도 17분 이내에 50미터(164피트)의 오차를 누적할 것이다.^[9] 따라서 위치는 주기적으로 다른 유형의 항법 장치에서 입력된 정보로 보정되어야 한다.

따라서 관성 항법은 일반적으로 다른 항법 시스템을 보완하기 위해 사용되며, 단일 시스템 사용으로는 불가능한 더 높은 정확도를 제공한다. 예를 들어, 지상에서 사용될 경우, 관성으로 추적된 속도가 정지함으로써 간헐적으로 0으로 업데이트되면, 위치는 훨씬 더 오랫동안 정밀하게 유지될 수 있는데, 이를 제로 속도 업데이트라고 한다. 특히 항공우주 분야에서는 INS의 부정확성을 판단하기 위해 다른 측정 시스템이 사용된다. 예를 들어, 허니웰 LaseRefV 관성 항법 시스템은 GPS와 대기 데이터 컴퓨터 출력을 사용하여 필수 항행 성능을 유지한다. 항법 오차는 사용되는 센서의 낮은 민감도에 따라 증가한다. 현재는 다양한 센서를 결합한 장치, 예를 들어 자세 및 방위 참조 시스템이 개발되고 있다. 항법 오차가 주로 각속도 및 가속도의 수치적분에 의해 영향을 받기 때문에, 각속도 측정값의 한 번의 수치적분을 사용하기 위해 압력 참조 시스템이 개발되었다.

일반적인 추정 이론과 특히 칼만 필터는^[10] 다양한 센서의 정보를 결합하기 위한 이론적 프레임워크를 제공한다. 가장 일반적인 대체 센서 중 하나는 GPS와 같은 위성 항법 라디오로, 하늘이 직접 보이는 모든 종류의 차량에 사용될 수 있다. 실내 응용 프로그램은 보수계, 거리 측정 장비 또는 다른 종류의 위치 센서를 사용할 수 있다. INS와 다른 시스템(GPS)의 정보를 적절히 결합하면 위치 및 속도의 오차가 안정적이다. 또한, INS는 차량이 터널을 통과할 때와 같이 GPS 신호를 사용할 수 없을 때 단기적인 대체 시스템으로 사용될 수 있다.

2011년, 민간 GPS 재밍은 정부의 우려 사항이 되었다.^[11] 이러한 시스템을 재밍하는 상대적인 용이성은 군대가 GPS 기술에 대한 항법 의존도를 줄이도록 동기를 부여했다.^[12] 관성 항법 센서는 GPS와 달리 무선 신호에 의존하지 않으므로 재밍될 수 없다.^[13] 2012년, 미 육군 연구소는 10쌍의 MEMS 자이로스코프와 가속도계(및 가끔 GPS)의 측정값을 결합하여 발사체의 위치 오차를 3분의 2로 줄이는 방법을 보고했다. 이 알고리즘은 GPS와 총 발사 가속력에 기반한 발견적 방법론을 모두 사용하여 개별 센서의 체계적인 편향을 수정할 수 있다. 만약 하나의 센서가 지속적으로 거리를 과대 또는 과소 측정하는 경우, 시스템은 손상된 센서의 최종 계산 기여도를 조정할 수 있다.^[14]

역사

관성항법장치는 원래 로켓을 위해 개발되었다. 미국의 로켓 개척자 로버트 고다드는 기본적인 자이로스코프 시스템을 실험했다. 고다드의 시스템은 베르너 폰 브라운을 포함한 당시 독일 개척자들의 큰 관심을 끌었다. 이 시스템은 우주선, 유도 미사일, 상업용 여객기의 등장과 함께 더욱 널리 사용되기 시작했다.

초기 독일 제2차 세계 대전 V2 유도 시스템은 두 개의 자이로스코프와 하나의 측면 가속도계를 간단한 아날로그 컴퓨터와 결합하여 비행 중인 로켓의 방위각을 조정했다. 아날로그 컴퓨터 신호는 비행 제어를 위해 로켓 배기구에 있는 4개의 흑연 방향키를 구동하는 데 사용되었다. V2의 GN&C(Guidance, Navigation, and Control) 시스템은 폐쇄 루프 유도와 통합된 플랫폼으로서 많은 혁신을 제공했다. 전쟁이 끝날 무렵 폰 브라운은 그의 최고 로켓 과학자 500명과 함께 계획 및 시험 차량을 미국에 넘기도록 협상했다. 그들은 1945년에 페이퍼클립 작전의 조항에 따라 텍사스주 포트 블리스에 도착했고, 이후 1950년에 앨라배마주 헌츠빌로 옮겨졌다^[15] 그곳에서 미 육군 로켓 연구 프로그램에서 일했다.

1950년대 초, 미국 정부는 군사 응용 분야, 특히 완전히 국내적인 미사일 유도 프로그램 개발에 있어 독일 팀에 대한 과도한 의존으로부터 스스로를 보호하기를 원했다. MIT 계측 연구소(나중에 찰스 스타크 드레이퍼 연구소가 됨)는 새로운 아틀라스 대륙간 탄도 미사일^{[16][17][18][19]}를 위해 샌디에고의 컨베어에 자율 유도 시스템 백업을 제공하도록 공군 서부 개발 부서에 의해 선정되었다 (제작 및 테스트는 AmBosch Arma의 Arma Division에서 완료했다). MIT 과제의 기술 감독은 짐 플레처(Jim Fletcher)였으며, 그는 나중에 NASA 행정관을 역임했다. 아틀라스 유도 시스템은 온보드 자율 시스템과 지상 추적 및 명령 시스템의 조합이 될 예정이었다. 자율 시스템은 탄도 미사일 응용 분야에서 명백한 이유로 결국 승리했다. 우주 탐사에서는 두 가지의 혼합이 여전히 사용된다.

1952년 여름, 리처드 배틴 박사와 J. 핼컴 "핼" 래닝 주니어 박사는 유도에 기반한 전산 솔루션을 연구했으며, 1954년 아틀라스 관성 유도에 대한 초기 분석 작업을 수행했다. 컨베어의 다른 주요 인물로는 수석 엔지니어 찰리 보사트(Charlie Bossart)와 유도 그룹 책임자 발터 슈바이데츠키(Walter Schweidetzky)가 있었다. 슈바이데츠키는 페네뮌데에서 제2차 세계 대전 중 폰 브라운과 함께 일했다.

초기 델타 유도 시스템은 기준 궤적과의 위치 차이를 평가했다. 획득할 속도(VGO) 계산은 VGO를 0으로 만드는 것을 목표로 현재 궤적을 수정하기 위해 수행된다. 이 접근법의 수학은 근본적으로 유효했지만, 정확한 관성 유도 및 아날로그 컴퓨팅 능력의 문제로 인해 폐기되었다. 델타 노력에 직면했던 문제는 Q 시스템( Q-유도 참조) 유도를 통해 극복되었다. Q 시스템의 혁명은 미사일 유도(및 관련 운동 방정식)의 문제를 행렬 Q에 묶는 것이었다. Q 행렬은 위치 벡터에 대한 속도의 부분 도함수를 나타낸다. 이 접근법의 핵심 특징은 벡터 외적(v, xdv, /dt)의 구성 요소를 기본 자동조종장치 속도 신호로 사용할 수 있게 했다는 점이다. 이 기술은 교차-곱 스티어링으로 알려지게 되었다. Q 시스템은 1956년 6월 21일과 22일 로스앤젤레스의 라모-울드리지(Ramo-Wooldridge)사에서 열린 제1회 탄도 미사일 기술 심포지엄에서 발표되었다. Q 시스템은 1960년대까지 기밀 정보였다. 이 유도의 파생형은 오늘날의 미사일에도 사용된다.

유인 우주 비행에서의 유도

아폴로 IMU

1961년 2월, NASA는 아폴로 계획을 위한 유도 및 항법 시스템의 예비 설계 연구 계약을 MIT에 수여했다. MIT와 제너럴 모터스(General Motors)의 Delco Electronics 부문은 사령선과 달 착륙선을 위한 아폴로 유도 및 항법 시스템 설계 및 생산에 대한 공동 계약을 받았다. Delco는 이러한 시스템을 위한 IMU(관성 측정 장비)를 생산했고, Kollsman Instrument Corp.는 광학 시스템을 생산했으며, 아폴로 가이던스 컴퓨터는 하도급 계약을 통해 레이시온이 제작했다.^[20][21]

우주왕복선의 경우, 개방 루프 유도는 우주왕복선이 발사되어 고체 로켓 부스터(SRB) 분리될 때까지 유도하는 데 사용되었다. SRB 분리 후, 주 우주왕복선 유도는 PEG(Powered Explicit Guidance)라고 불린다. PEG는 Q 시스템과 원래 "델타" 시스템의 예측-보정 특성(PEG Guidance)을 모두 고려한다. 지난 30년 동안 우주왕복선의 항법 시스템에 많은 업데이트가 있었지만(예: OI-22 빌드에 GPS 도입), 우주왕복선 GN&C 시스템의 유도 핵심은 거의 진화하지 않았다. 유인 시스템 내에서는 유도 시스템을 위한 인간 인터페이스가 필요하다. 우주비행사들이 시스템의 고객이므로, 차량을 "비행"하는 데 주요 인터페이스이기 때문에 GN&C에 영향을 미치는 많은 새로운 팀이 구성되었다.

항공기 관성 유도의 초기 사용

상업용 항공기에서 인기 있는 INS의 한 예는 플라이트 관리 시스템이 보편화되기 전 시대에 항법의 부분 자동화를 제공했던 Delco Carousel이었다. Carousel은 조종사들이 한 번에 9개의 웨이포인트를 입력할 수 있게 했고, INS를 사용하여 항공기 위치와 속도를 결정함으로써 항공기를 한 웨이포인트에서 다음 웨이포인트로 유도했다. 보잉(Boeing)사는 제너럴 모터스(General Motors)의 Delco Electronics 부서에 747 항공기의 초기 모델(-100, -200, -300)을 위한 최초의 생산 Carousel 시스템을 설계하고 제작하도록 하청을 주었다. 747은 신뢰성 목적을 위해 세 개의 Carousel 시스템이 함께 작동했다. Carousel 시스템 및 그 파생 모델은 이후 다른 많은 상업용 및 군용 항공기에 채택되었다. 미 공군 C-141은 이중 시스템 구성으로 Carousel을 사용한 최초의 군용 항공기였으며, 747과 유사한 삼중 INS 구성을 사용한 C-5A가 뒤를 이었다. KC-135A 함대는 단일 Carousel IV-E 시스템이 장착되어 독립형 INS로 작동하거나 AN/APN-81 또는 AN/APN-218 도플러 레이더의 지원을 받을 수 있었다. C-135의 일부 특수 임무 변형에는 이중 Carousel IV-E INS가 장착되었다. ARINC Characteristic 704는 상업 항공 운송에 사용되는 INS를 정의한다.

상세

비행 중인 항공기의 롤, 피치, 요 축을 나타내는 다이어그램

프랑스 중거리 탄도 미사일 S3 미사일의 관성항법장치.

INS에는 관성 측정 장비(IMU)가 포함되어 있으며, IMU에는 각도 및 선형 가속도계(위치 변화용)가 있다. 일부 IMU에는 자이로스코프 요소(절대 각도 기준 유지용)가 포함되어 있다.

각도 가속도계는 차량이 공간에서 어떻게 회전하는지 측정한다. 일반적으로 세 축(피치(기수 상하), 요(기수 좌우), 롤(조종석에서 시계 방향 또는 반시계 방향)) 각각에 대해 최소 하나의 센서가 있다.

선형 가속도계는 차량의 비중력 가속도를 측정한다.^[22] 세 축(상하, 좌우, 전후)으로 움직일 수 있으므로 각 축마다 선형 가속도계가 있다.

컴퓨터는 차량의 현재 위치를 지속적으로 계산한다. 먼저, 6개의 자유도(x, y, z 및 θ_x, θ_y, θ_z) 각각에 대해 감지된 가속도와 중력 추정치를 시간에 따라 적분하여 현재 속도를 계산한다. 그런 다음 속도를 적분하여 현재 위치를 계산한다.

컴퓨터 없이는 관성 유도가 어렵다. 미닛맨 미사일과 아폴로 계획에서 관성 유도를 사용하려는 욕구는 컴퓨터 소형화를 위한 초기 시도를 촉발했다.

관성 유도 시스템은 이제 일반적으로 디지털 필터링 시스템을 통해 범지구 위성 항법 시스템과 결합된다. 관성 시스템은 단기 데이터를 제공하며, 위성 시스템은 관성 시스템의 누적된 오차를 보정한다.

지구 표면 근처에서 작동할 관성 유도 시스템은 차량이 이리저리 움직일 때 플랫폼이 계속 지구 중심을 향하도록 슐러 동조를 통합해야 한다.

기본 방식

짐벌 자이로 안정화 플랫폼

아폴로 짐벌 자이로 안정화 플랫폼

일부 시스템은 선형 가속도계를 짐벌 자이로 안정화 플랫폼에 배치한다. 짐벌은 세 개의 링으로 구성되며, 각 링에는 처음에는 직각으로 배열된 한 쌍의 베어링이 있다. 이들은 플랫폼이 모든 회전 축을 중심으로 회전할 수 있도록 한다(또는 차량이 플랫폼 주위를 회전하는 동안 플랫폼이 같은 방향을 유지하도록 한다). 플랫폼에는 두 개의 자이로스코프가 있다(일반적으로).

두 개의 자이로스코프는 자이로스코프 세차 운동, 즉 자이로스코프가 입력 토크에 직각으로 회전하려는 경향을 상쇄하는 데 사용된다. 한 쌍의 자이로스코프(동일한 회전 관성과 반대 방향으로 동일한 속도로 회전하는)를 직각으로 장착함으로써 세차 운동이 상쇄되고 플랫폼은 회전에 저항하게 된다.

이 시스템은 차량의 롤, 피치 및 요 각도를 짐벌 베어링에서 직접 측정할 수 있게 한다. 선형 가속도계의 방향이 변하지 않기 때문에 비교적 간단한 전자 회로를 사용하여 선형 가속도를 더할 수 있다.

이 방식의 큰 단점은 많은 값비싼 정밀 기계 부품을 사용한다는 것이다. 또한 마모되거나 걸릴 수 있는 움직이는 부품이 있으며 짐벌 잠김에 취약하다. 아폴로 우주선의 주요 유도 시스템은 3축 자이로 안정화 플랫폼을 사용하여 아폴로 가이던스 컴퓨터에 데이터를 공급했다. 짐벌 잠김을 피하기 위해 기동을 신중하게 계획해야 했다.

유체 부유식 자이로 안정화 플랫폼

짐벌 잠김은 기동을 제한하며, 짐벌의 슬립 링과 베어링을 제거하는 것이 유리할 것이다. 따라서 일부 시스템은 유체 베어링 또는 부유 챔버를 사용하여 자이로 안정화 플랫폼을 장착한다. 이러한 시스템은 매우 높은 정밀도를 가질 수 있다(예: 첨단 관성 참조 구(Advanced Inertial Reference Sphere, AIRS)). 모든 자이로 안정화 플랫폼과 마찬가지로 이 시스템은 비교적 느리고 저전력 컴퓨터로 잘 작동한다.

유체 베어링은 압축된 비활성 기체(예: 헬륨) 또는 오일이 플랫폼의 구형 셸에 압력을 가하는 구멍이 있는 패드이다. 유체 베어링은 매우 미끄럽고 구형 플랫폼은 자유롭게 회전할 수 있다. 일반적으로 플랫폼을 지지하기 위해 사면체 배열로 장착된 4개의 베어링 패드가 있다.

고급 시스템에서는 각도 센서가 일반적으로 유연한 인쇄 회로 기판에 스트립 형태로 제작된 특수 변압기 코일이다. 여러 코일 스트립이 자이로 안정화 플랫폼의 구형 셸 주위에 대원으로 장착된다. 플랫폼 외부의 전자기기는 유사한 스트립 형태의 변압기를 사용하여 구형 플랫폼 주위에 감긴 변압기에서 생성되는 다양한 자기장을 읽는다. 자기장의 모양이 변하거나 움직일 때마다 외부 변압기 스트립의 코일 와이어를 절단한다. 이 절단은 외부 스트립 형태 코일에 전류를 생성하며, 전자기기는 그 전류를 측정하여 각도를 유도할 수 있다.

저렴한 시스템은 때때로 바코드를 사용하여 방향을 감지하고 태양 전지 또는 단일 변압기를 사용하여 플랫폼에 전력을 공급한다. 일부 소형 미사일은 창문 또는 광섬유에서 나오는 빛으로 플랫폼에 전력을 공급하여 모터를 구동한다. 배기가스의 압력으로 플랫폼을 부유시키는 연구가 진행 중이다. 데이터는 변압기를 통해 또는 때때로 외부 광다이오드와 통신하는 LED를 통해 외부 세계로 반환된다.

스트랩다운 시스템

경량 디지털 컴퓨터는 시스템에서 짐벌을 제거하여 스트랩다운 시스템을 만들 수 있게 한다. 이 시스템은 센서가 단순히 차량에 고정되어 있다고 해서 그렇게 불린다. 이는 비용을 절감하고, 짐벌 잠김을 제거하며, 일부 보정의 필요성을 없애고, 일부 움직이는 부품을 제거하여 신뢰성을 높인다. 각속도 자이로라고 불리는 각속도 센서는 차량의 각속도를 측정한다.

스트랩다운 시스템은 짐벌 시스템에 필요한 동적 측정 범위보다 수백 배 더 큰 동적 측정 범위를 필요로 한다. 즉, 피치, 롤 및 요의 차량 자세 변화뿐만 아니라 전체적인 움직임도 통합해야 한다. 짐벌 시스템은 일반적으로 50-60Hz의 업데이트 속도로도 잘 작동할 수 있었다. 그러나 스트랩다운 시스템은 일반적으로 약 2000Hz로 업데이트된다. 더 높은 속도는 항법 시스템이 각속도를 자세에 정확하게 통합할 수 있도록 하기 위해 필요하다.

관련된 데이터 업데이트 알고리즘(방향 코사인 또는 사원수)은 디지털 컴퓨터 외에는 정확하게 수행하기에는 너무 복잡하다. 그러나 현재 디지털 컴퓨터는 매우 저렴하고 빠르기 때문에 각속도 자이로 시스템이 실용적으로 사용되고 대량 생산될 수 있다. 아폴로 달 착륙선은 백업 아폴로 비상 유도 시스템에 스트랩다운 시스템을 사용했다.

스트랩다운 시스템은 오늘날 상업 및 군사 응용 분야(항공기, 선박, 원격 조종 잠수정, 미사일 등)에서 일반적으로 사용된다. 최첨단 스트랩다운 시스템은 링 레이저 자이로스코프, 광섬유 자이로스코프 또는 반구형 공진 자이로스코프를 기반으로 한다. 이들은 디지털 전자 장치와 칼만 필터와 같은 고급 디지털 필터링 기술을 사용한다.

모션 기반 정렬

자이로스코프 시스템의 방향은 때때로 단순히 위치 기록(예: GPS)을 통해서도 추론할 수 있다. 이는 특히 비행기와 자동차의 경우에 해당하는데, 속도 벡터는 일반적으로 차량 본체의 방향을 의미하기 때문이다.

예를 들어, 허니웰의 Align in Motion^[23]은 항공기가 공중이나 지상에서 움직이는 동안 초기화가 발생하는 과정이다. 이는 GPS와 관성 합리성 테스트를 사용하여 상업적 데이터 무결성 요구 사항을 충족하도록 이루어진다. 이 과정은 FAA 인증을 받아 최대 18시간 동안의 민간 비행 시간 동안 정지 정렬 절차와 동등한 순수 INS 성능을 복구할 수 있다. 이것은 항공기에 자이로스코프 배터리가 필요 없도록 한다.

진동 자이로스코프

 이 부분의 본문은 코리올리 진동 자이로스코프입니다.

자동차용으로 고안된 저가 항법 시스템은 차량의 진행 방향 변화를 감지하기 위해 코리올리 진동 자이로스코프를 사용하고, 이동 거리를 측정하기 위해 주행 기록계 픽업을 사용할 수 있다. 이 유형의 시스템은 고성능 INS보다 훨씬 덜 정확하지만, GPS가 주 항법 시스템이고 추측 항법은 건물이나 지형이 위성 신호를 차단할 때 GPS 커버리지의 공백을 채우기 위해서만 필요한 일반적인 자동차 응용 분야에는 충분하다.

반구형 공진 자이로스코프

 이 부분의 본문은 반구형 공진 자이로스코프입니다.

반구형 공진 구조에 정재파가 유도된 후 공진 구조가 회전하면, 코리올리 힘으로 인해 구형 조화 정재파가 석영 공진 구조와 다른 각도로 회전한다. 정재파 패턴에 대한 외부 케이스의 움직임은 총 회전 각도에 비례하며 적절한 전자 장치로 감지할 수 있다. 시스템 공진기는 우수한 기계적 특성 때문에 석영유리로 가공된다. 정재파를 구동하고 감지하는 전극은 공진기를 둘러싸는 별도의 석영 구조물에 직접 증착된다. 이 자이로스코프는 전체 각도 모드(거의 무제한의 속도 기능을 제공) 또는 힘 재균형 모드(자이로 하우징에 대해 정재파를 고정된 방향으로 유지하여 훨씬 더 나은 정확도를 제공)로 작동할 수 있다.

이 시스템은 움직이는 부품이 거의 없으며 매우 정확하다. 그러나 정밀하게 연마되고 광택 처리된 속이 빈 석영 반구의 비용 때문에 여전히 상대적으로 비싸다. Northrop Grumman은 현재 HRG를 사용하는 우주선용 IMU(관성 측정 장비)를 제조한다. 이 IMU는 1996년 처음 사용된 이후 극도로 높은 신뢰성을 입증했다.^[24] 사프란은 광범위한 응용 분야에 전념하는 반구형 공진 자이로스코프 기반의 관성항법장치를 대량 생산한다.^[25]

석영 각속도 센서

E-Sky 모델 헬리콥터 내부에 있는 석영 각속도 센서

이러한 제품에는 "튜닝 포크 자이로"가 포함된다. 여기서 자이로는 전자적으로 구동되는 튜닝 포크로 설계되며, 종종 단일 석영 또는 실리콘 조각으로 제작된다. 이러한 자이로는 각도 속도가 움직이는 물체에 가해질 때 코리올리 힘이 발생한다는 동역학 이론에 따라 작동한다.

이 시스템은 보통 실리콘 칩에 통합된다. 두 개의 질량 균형 석영 튜닝 포크가 "핸들 투 핸들" 방식으로 배열되어 힘이 상쇄된다. 포크와 그 아래 칩에 증착된 알루미늄 전극은 움직임을 구동하고 감지한다. 이 시스템은 제조 가능하고 저렴하다. 석영은 치수 안정성이 뛰어나기 때문에 시스템은 정확할 수 있다.

포크가 핸들 축을 중심으로 비틀릴 때, 날개 부분의 진동은 같은 운동 평면에서 계속되는 경향이 있다. 이 움직임은 날개 부분 아래의 전극에서 발생하는 정전기력에 의해 저항되어야 한다. 포크의 두 날개 부분 사이의 정전 용량 차이를 측정함으로써 시스템은 각운동 속도를 결정할 수 있다.

현재 (2005년 기준^[update]) 비군사 기술의 최첨단 기술은 인체 움직임을 측정할 수 있는 소형 솔리드 스테이트 센서를 만들 수 있다. 이 장치에는 움직이는 부품이 없으며 무게는 약 50 그램 (1.8 온스)^%s%s이다.

동일한 물리적 원리를 사용하는 솔리드 스테이트 장치는 소형 카메라 또는 캠코더의 영상 흔들림 방지에 사용된다. 이들은 약 5 밀리미터 (0.20 인치)^%s%s 정도로 매우 작을 수 있으며, 미세전기기계 시스템(MEMS) 기술로 제작된다.^[26]

MHD 센서

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자기 유체 역학 원리에 기반한 센서는 각속도를 측정하는 데 사용될 수 있다.

MEMS 자이로스코프

MEMS 자이로스코프

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MEMS 자이로스코프는 일반적으로 각속도를 측정하기 위해 코리올리 효과에 의존한다. 이는 실리콘에 장착된 공진식 시험 질량으로 구성된다. 자이로스코프는 가속도계와 달리 능동형 센서이다. 시험 질량은 구동 빗에 의해 앞뒤로 밀린다. 자이로스코프의 회전은 질량에 작용하는 코리올리 힘을 생성하여 다른 방향으로 움직임을 유발한다. 이 방향의 움직임은 전극에 의해 측정되며 회전율을 나타낸다.^[27]

링 레이저 자이로스코프

링 레이저 자이로스코프

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링 레이저 자이로스코프(RLG)는 레이저 빛 빔을 두 개의 빔으로 나누어, 삼각형 형태의 온도 안정 세르비트(Cervit) 유리 블록 둘레에 있는 좁은 터널을 통해 반대 방향으로 순환하는 광학 경로를 지나게 하며, 각 모서리에는 반사 거울이 배치되어 있다. 자이로스코프가 어떤 각속도로 회전하면, 각 빔이 이동하는 거리가 달라진다—더 짧은 경로는 회전과 반대 방향이다. 두 빔 사이의 위상 변화는 간섭계를 통해 측정될 수 있으며, 회전 속도에 비례한다(사냐크 효과).

실제로, 낮은 회전율에서는 후방 산란으로 인해 빔이 동기화되고 고정되어 출력 주파수가 0으로 떨어질 수 있다. 이를 록인(lock-in) 또는 레이저 록(laser-lock)이라고 한다. 그 결과 간섭 패턴에 변화가 없으므로 측정값도 변화가 없다.

역회전하는 광선을 해제하기 위해 레이저 자이로스코프는 두 방향에 대해 독립적인 광 경로를 갖거나(일반적으로 광섬유 자이로스코프에서), 레이저 자이로스코프는 피에조 전기 디더 모터에 장착되어 레이저 링을 입력축을 중심으로 록인 영역을 통해 앞뒤로 빠르게 진동시켜 광파를 분리한다.

쉐이커 방식이 가장 정확한데, 이는 두 광선이 정확히 동일한 경로를 사용하기 때문이다. 따라서 레이저 자이로스코프는 움직이는 부품을 유지하지만, 그 움직이는 거리는 그리 멀지 않다.

광섬유 자이로스코프

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광학 자이로스코프의 최신 변형인 광섬유 자이로스코프(FOG)는 외부 레이저와 두 개의 빔이 긴 광섬유 필라멘트 코일(수 킬로미터)에서 반대 방향(역전파)으로 진행하며, 코일을 통과한 후 두 빔의 위상 차이를 비교한다.

단색 레이저 빛이 반대 경로로 이동하는 기본 메커니즘과 사냐크 효과는 FOG와 RLG에서 동일하지만, FOG의 공학적 세부 사항은 이전 레이저 자이로스코프와 상당히 다르다.

광섬유 코일의 정밀한 감기는 빛이 반대 방향으로 이동하는 경로가 가능한 한 유사하도록 보장하기 위해 필요하다. FOG는 레이저 링 자이로보다 더 복잡한 보정이 필요하여 FOG의 개발 및 제조가 RLG보다 기술적으로 더 어렵다. 그러나 FOG는 저속에서 레이저 잠김 현상을 겪지 않으며 움직이는 부품을 포함할 필요가 없으므로 동등한 RLG보다 FOG의 최대 잠재적 정확도와 수명을 증가시킨다.

진자형 가속도계

개방 루프 가속도계의 원리. 위쪽 방향의 가속도는 질량이 아래쪽으로 편향되게 한다.

기본적인 개방 루프 가속도계는 용수철에 부착된 질량으로 구성된다. 질량은 용수철과 일직선으로만 움직이도록 제한된다. 가속도는 질량의 편향을 유발하고, 이 오프셋 거리가 측정된다. 가속도는 편향 거리, 질량, 용수철 상수 값에서 파생된다. 시스템은 또한 진동을 피하기 위해 감쇠되어야 한다. 폐쇄 루프 가속도계는 피드백 루프를 사용하여 편향을 상쇄함으로써 질량을 거의 정지 상태로 유지하여 더 높은 성능을 달성한다. 질량이 편향될 때마다 피드백 루프는 전기 코일이 질량에 동일하게 음의 힘을 가하여 움직임을 상쇄시킨다. 가속도는 가해진 음의 힘의 양에서 파생된다. 질량이 거의 움직이지 않으므로 용수철 및 감쇠 시스템의 비선형성 효과가 크게 줄어든다. 또한 이 가속도계는 감지 요소의 고유 주파수를 넘어선 대역폭을 제공한다.

두 가지 유형의 가속도계 모두 실리콘 칩에 통합된 마이크로 기계로 제조되었다.

TIMU 센서

방위고등연구계획국(DARPA)의 마이크로시스템 기술 사무소(MTO)는 GPS 보조 항법 없이 단일 칩에서 절대 위치 추적을 수행하는 TIMU(Timing & Inertial Measurement Unit) 칩을 설계하기 위한 마이크로-PNT(Micro-Technology for Positioning, Navigation and Timing) 프로그램을 진행 중이다.^[28][29][30]

마이크로-PNT는 IMU(관성 측정 장비) 칩에 고정밀 마스터 타이밍 클록^[31]을 통합하여, 동시에 추적된 움직임을 측정하고 동기화된 클록의 타이밍과 결합할 수 있는 TIMU 칩을 만든다.^[28][29]

방법

한 형태에서 항법 방정식 시스템은 각각 관성 및 차체 프레임에서 선형 및 각도 측정을 얻고, NED 참조 프레임에서 최종 자세 및 위치를 계산한다.

여기서 f는 비력(specific force), ${\displaystyle \omega }$는 각속도, a는 가속도, R은 위치, ${\displaystyle {\dot {R}}}$ 및 V는 속도, ${\displaystyle \Omega }$는 지구의 각속도, g는 중력 가속도, ${\displaystyle \Phi ,\lambda }$ 및 h는 NED 위치 매개변수이다. 또한 E, I, B의 위첨자/아래첨자는 각각 지구 중심, 관성 또는 차체 참조 프레임의 변수를 나타내며, C는 참조 프레임의 변환이다.

GNSS 및 성능 기반 항법과의 통합

최신 관성 항법 시스템(INS)은 GPS, 갈릴레오 (항법 시스템), 글로나스 (항법 시스템)와 같은 범지구 위성 항법 시스템(GNSS)과 통합되어 위치 정확도, 무결성 및 연속성을 향상시킨다. 이러한 하이브리드화는 일시적인 위성 신호 손실 시에도 항공기가 정밀한 항법을 유지할 수 있도록 한다. 성능 기반 항법(PBN) 운용에서 INS/GNSS 통합은 RNP AR 및 LPV 접근을 포함한 필수 항행 성능(RNP) 및 지역 항법(RNAV) 절차를 지원한다. 이러한 시스템은 특히 강력한 항법 성능과 이중화가 필수적인 장거리, 해양 및 저시정 헬리콥터 운용에 매우 중요하다.^[32][33]

같이 보기

• 항공 관련 문서 색인
• 우주선 자세 제어
• LN-3 관성 항법 시스템
• 양자 나침반
• 중력 구배계
• 전정 기관 – 인간 및 기타 척추동물에서 유사한 기능을 하는 생물학적 기관