관성항법시스템동향 이시우 2003/12/28 330

관성항법시스템동향

http://www.dema.mil.kr/jour/jour01.html

항법의 유래는 먼 옛날 고대 이집트까지 거슬러 올라갈 정도로 인류의 역사와 함께 해왔다.

항법(navigation)이란 움직이는 운반 수단의 현재의 위치를 알아내는 것을 말한다. 이를 현대적 의미에서 좀더 구체적이고 전문적인 표현을 빌린다면 탑재상태에서 위치 및 속도 등의 상태벡터를 측정하고 계산하는 과정을 일컫는다.

이러한 항법정보를 이용하여 운반체를 목적지로 이동시키기 위한 명령을 계산하는 과정을 유도(guidance)라고 부르는데 때로는 항법까지 포함해서 넓은 의미의 유도라고도 한다.

무인항공기등 다양한 분야 이용

관성유도 혹은 관성항법시스템(Inertial Navigation System: INS)은 제2차 세계대전의 촉발로 군사적 요구에 의해 1940년대부터 개발에 착수되었으며 독일의 V-2 로켓에 처음으로 적용되기 시작하여 오늘날까지 급속한 발전이 이루어졌다.

현재는 각종 선박, 잠수함, 항공기, 무인항공기, 우주 발사체, 유도무기, 지상차량 및 무인로봇에 이르기까지 다양한 분야에서 응용되고 있다.

INS는 관성센서라 불리는 자이로스코프와 가속도계에 의해 운반체의 회전 각속도와 선형 가속도를 측정하고 이들 출력을 이용하여 외부의 도움 없이 기준 항법 좌표계에 대한 운반체의 현재 위치, 속도 및 자세 정보를 제공해준다.

따라서 INS는 외부로부터 신호교란이나 신호감지를 피할 수 있고 날씨와 시간제한 등에 전혀 구애를 받지 않는다.

INS의 기본 동작원리는 다음과 같이 요약된다. 회전 각속도를 측정하는 자이로스코프 출력을 이용하여 기준 항법 좌표계를 형성하고, 탑재 컴퓨터에서 기준 항법 좌표계 상의 가속도에 중력 가속도를 보상하여 적분을 취함으로써 현재의 속도와 위치를 자율적으로 정확하게 계산해낸다.

INS는 관성센서를 외부의 회전 운동으로부터 물리적으로 격리시키는 안정화된 플랫폼에 장착하는 김블형 관성항법장치(Gimbaled INS:GINS)와 동체에 직접 관성센서를 견고하게 장착하고 항법컴퓨터에서 수학적으로 정의한 가상의 해석적인 플랫폼에서 항법정보를 계산하는 스트랩다운 관성항법장치(Strapdown INS:SDINS)로 나눌 수 있다. 　GINS의 플랫폼은 〈그림 1〉과 같은 복잡한 김블 기구를 갖추고 있으며, 〈그림 2〉와 같이 운반체가 회전을 하여도 항상 일정한 기준 좌표계를 유지할 수 있도록 설계되어 있다.

이것은 자이로스코프의 출력을 이용하여 서보 모터로 관련된 김블을 구동하는 자이로스코프 안정화회로, 즉 플랫폼 제어루프에 의해 달성된다.

반면에 SDINS에서는 자이로스코프 출력을 이용하여 운반체의 자세를 실시간으로 계산하여 동체 좌표계에서 항법 좌표계로 계속적으로 좌표 변환을 수행하여야 한다.

INS에서 항법 해를 구하기 위해서는 중력 가속도의 보정이 필요한데 용도에 따라 적절한 지구 중력모델을 사용하고 있다. 일반적으로 저고도 항법에서는 수학적인 지구 타원체를 기준으로 위도와 고도의 함수로 나타내는 비교적 단순한 저고도 중력모델을 사용하고 있다.

그러나 고고도의 항법이나 항공 측지와 같은 장시간 항법 시에는 중력 오차에 의해 매우 큰 항법 오차를 유발시킨다.

최근에는 인공위성에서 측정된 자료를 이용하여 계산한 실측 중력모델을 사용하게 되었으며, 이것은 수학적인 지구 타원체가 아닌 지오이드(geoid)를 기준으로 추정한 것으로서 위도, 경도 및 고도에 따라 중력값이 달라진다.

한편 고도 오차는 어느 정도 시간이 경과하면 급격히 발산하는 특성이 있다. 이를 보정하기 위해 기압 고도계 혹은 레이더 고도계를 보조 센서로서 현재까지 주로 사용해 왔다. 최근에는 고도 계산에 GPS(Global Positioning System)를 사용하기 위한 다양한 연구가 계속되고 있다.

정밀도가 항법성능 좌우

INS의 성능은 관성센서의 교정 정확도와 시스템의 초기정렬 정확도에 따라 결정된다.

INS는 자이로스코프와 가속도계에 의해 운반체의 각속도와 가속도를 측정하고 이를 적분하여 현재의 속도와 위치 및 자세를 계산하므로 관성센서의 정밀도가 INS의 항법성능을 좌우한다.

따라서 약간의 센서 오차도 장시간 누적되면 큰 항법 오차를 유발시키게 되므로 가능한 정밀한 관성센서가 요구된다.

다양한 오차요소를 내포하고 있는 관성센서를 INS에 사용할 경우 시간이 경과하면서 나타나는 오차 특성의 변화에 따른 성능저하를 방지하기 위하여 정기적으로 센서의 오차요소를 식별하고 교정할 필요가 있다.

GINS의 경우에 오차보상을 위해 과거부터 주로 다 위치시험(multi-position test)에 의한 교정 기법과 싱글 슐러 시험(single Schuler test)에 의한 교정 기법을 사용해 왔다. INS를 단독으로 운용할 경우 〈그림 3, 4〉와 같이 약 84.4분의 주기를 갖고 슐러 진동(Schuler oscillation)을 하는 오차 전파 특성이 있다.

INS는 항법 모드로 진입하기 전에 관성센서의 기준 좌표축을 항법 좌표계와 일치시키는 소위 초기정렬 과정을 필수적으로 거치게 된다.

초기정렬의 정확도는 항법오차에 가장 큰 영향을 줄 수 있으므로 좀더 빠르게 좀더 정확하게 수행될 것이 요구된다.

INS는 항법 기준 좌표계 상에서 측정되는 가속도값을 이용하여 필요한 속도와 위치를 계산하므로 이것은 곧 시간 적분 문제로 되어 초기값의 정확도가 중요함은 의심할 여지가 없고 INS 초기정렬의 목적이 바로 여기에 있다고 할 것이다.

초기정렬 방식은 외부의 보조정보 사용 유무에 따라 자체정렬(self alignment)과 전달정렬(transfer alignment)로 나뉘어진다.

자체정렬을 할 때 GINS에서는 항법 좌표계와 관성센서축을 물리적으로 일치시키는 반면, SDINS에서는 항법 좌표계와 동체 좌표계 사이의 초기자세 각을 찾아내게 된다.

초기정렬은 대체로 운반체의 정지 상태에서 수행되며, 외부의 아무런 도움 없이 자이로스코프와 가속도계 출력을 이용하여 자체정렬을 수행한다.

이와 같은 자체정렬 수행 시에 관성센서의 교정오차로 인해 초기 정렬 오차가 발생하며, 이것은 결과적으로 INS의 주된 항법 오차 요인으로 작용하게 된다.

초소형화 달성 눈앞에

이제 INS의 기술동향 및 발전추세에 대해 간략히 살펴보기로 한다. 이는 두말할 필요도 없이 관성센서의 기술개발과 밀접한 관계를 갖고 있다.

1970년대 초부터 GINS를 대체하여 SDINS를 응용하는 분야가 점차 확대되어 왔다.

GINS에 비해 제작 공정과 정비유지 면에서 훨씬 유리한 SDINS는 계산 능력이 뛰어난 소형의 탑재 컴퓨터 기술의 발전에 힘입어 보다 저렴해진 생산비와 높은 신뢰도를 기반으로 시장 점유율이 커지게 되었다.

최근에는 SDINS에 적합한 광학식 자이로스코프 즉, 링 레이저 자이로스코프(Ring Laser Gyroscope:RLG)와 광섬유 자이로스코프(Fiber Optic Gyroscope:FOG) 등이 개발되면서 점점 기계식 자이로스코프를 대체하고 있는 추세이다.

지속적인 성능 향상과 제작비 절감 등에 힘입어 그 응용범위가 더욱 확대될 전망이다.

또 한편 반도체 제작공정 기술을 응용한 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기술을 이용하여 마이크로 관성센서의 개발이 활발히 진행되고 있다.

좀더 정확도가 높은 마이크로 자이로스코프가 개발되면 RLG 및 FOG를 대체해 갈 것으로 예상된다. 장기적으로는 소프트웨어 GPS의 실현과 함께 마이크로 관성센서의 초소형화가 달성될 것으로 전망된다.

이로 인해 초소형의 값싼 복합항법시스템(Hybrid Navigation System) 구현이 가능하게 되어 초소형 비행체(Micro Unmanned Air Vehicles) 및 유도폭탄(Guided Munition) 그리고 개인병사 체계에 이르기까지 그 응용 분야가 획기적으로 확대될 것으로 예상된다.

앞서 언급한 바와 같이 INS는 일정한 시간 동안에는 외부의 도움 없이 요구되는 정확도를 잘 유지할 수 있으나, 장시간 운용할 경우에는 초기 오차와 관성센서 오차에 의해 항법오차가 계속 누적되는 특성을 지니고 있다.

이에 따라 INS 자체 성능 개선 노력과는 별도로 오차의 누적이 없는 항법 보조정보와 결합함으로써 수요자의 요구 성능을 만족시킬 수 있는 복합항법시스템의 개발에도 관심이 집중되고 있다.

복합항법시스템을 구성하면 INS를 단독으로 운용할 때 나타나는 슐러 진동을 감쇠시킬 수 있다.

GPS 체계가 가지는 주된 문제점은 기만전파 즉 재밍(jamming)뿐만 아니라 외부로부터 방사되는 전파에 의해 쉽게 영향을 받는 특성이다.

그럼에도 불구하고 최근의 대부분의 항법장치에서 GPS 수신기를 내장하는 추세이며, 특히 유도무기의 경우에 저급의 INS와 GPS를 연동하여 복합항법시스템을 구성하여 유도장치의 개발 단가를 낮추려 하고 있다.

이를 위해서 미국을 비롯한 선진국에서는 재밍 방지가 우수하고 격심한 운용 환경에 적합한 GPS 수신기 개발에 힘을 쏟고 있다.

우리 입장에서는 특히 군사적인 목적으로 GPS를 사용함에 있어 신뢰도에 대한 여러 가지 가능성을 고려하고 적용 무기체계에 따라서는 주 항법체계의 보조적인 차원에서 사용하는 것이 보다 바람직할 것으로 생각한다.