KR20210066613A - High reliability integrated embedded navigation system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 복합항법 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고가의 장비 성능 수준에 해당하는 IMU 6축과 지자계 3축 그리고 고도계 1축을 이용한 10축 복합 항법 모듈을 이용하여 IMU 성능 출력을 최대로 할 수 있는 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a complex navigation system, and more specifically, to maximize IMU performance output using a 10-axis complex navigation module using 6 axes of IMU, 3 axes of earth magnetic field, and 1 axis of altimeter corresponding to the performance level of expensive equipment. It relates to a highly reliable integrated built-in complex navigation system that can be
일반적으로 위치기반 서비스에서는 GPS 신호를 이용한 항법 시스템이 널리 사용되고 있다. In general, a navigation system using a GPS signal is widely used in a location-based service.
하지만, 이러한 항법 시스템은 GPS 신호가 수신되지 않는 경우에 위치 정보를 알기 어렵고, GPS만으로는 이동체의 돌발상황을 감지하기 어렵기 때문에 관성 센서를 추가적으로 이용하여 관성 센서와 GPS 신호 모두를 이용하여 이동체의 위치정보를 알아내는 기술이 개발되었다.However, in such a navigation system, it is difficult to know the location information when a GPS signal is not received, and it is difficult to detect a sudden situation of a moving object with GPS alone. Therefore, an inertial sensor is additionally used to position the moving object using both the inertial sensor and the GPS signal. The technology to extract information has been developed.
IMU(Inertial Measurement Unit)라 불리우는 관성센서는 주로 MEMS 센서를 이용할 수 있다.An inertial sensor called an IMU (Inertial Measurement Unit) may mainly use a MEMS sensor.
도 1은 종래의 항법 시스템의 일 예를 나타낸다.1 shows an example of a conventional navigation system.
도 1을 참조하면, 종래의 항법 시스템(10)은 IMU(11), 네비게이션 알고리즘 모듈(12), GPS 장치(13), 및 필터(예컨대, 칼만 필터) 모듈(14)을 포함한다.Referring to FIG. 1 , a
상기 IMU(11)를 통해 각속도, 가속도, 및/또는 지자기 정보 등의 관성 데이터를 획득하면, 네비게이션 알고리즘 모듈(12)은 상기 관성 데이터에 기초하여 이동체의 위치 정보를 알아낸다. 또한, 필터모듈(14)은 GPS 장치(13)로부터 수신된 GPS 신호와 상기 네비게이션 알고리즘 모듈(12)에 의해 알아낸 위치 정보를 융합하여 보다 정밀도가 향상되고 노이즈가 줄어든 위치 정보 즉, x(위도), y(경도), z(고도)를 알아낸다.When inertial data such as angular velocity, acceleration, and/or geomagnetic information is acquired through the
이때 상기 네비게이션 알고리즘 모듈(12)에 의해 얻어내는 위치 정보는 IMU(11)에 획득된 관성 데이터(예컨대, 가속도, 각속도 등)을 적분하여 원하는 물리량을 얻는 방식이므로 시간에 따라 오류가 계속 누적되는 드리프트(drift) 현상이 발생하게 되고, 이에 따라 전체 시스템(10)의 정밀도가 저하되게 된다.At this time, since the position information obtained by the
실제로 MEMS 센서를 이용하는 상기 IMU(11)에서는 Z축 방향의 정밀도가 떨어져 고도에 대한 정보에 오차가 많으며, 이는 전체 시스템의 정밀도를 떨어뜨리는 문제가 발생한다.In fact, in the
또한, 관성 데이터에 의해 얻어진 위치정보와 GPS 신호를 통해 얻어진 위치정보를 융합함으로써 보다 정밀도가 높은 최종적인 위치정보를 알 수 있는데, GPS 신호가 수신되지 않는 경우에는 이러한 효과를 누릴 수 없게 된다.In addition, by fusing the position information obtained by the inertial data and the position information obtained through the GPS signal, it is possible to know the final position information with higher precision. However, if the GPS signal is not received, this effect cannot be enjoyed.
관성측정장치(IMU, Inertial measurement unit) 및 속도 보정장치는 복합 항법을 구현하기 위해 사용하는 대표적인 센서이다. 하지만, IMU를 통해 계산된 항법정보는 짧은 시간에는 정확하나, 각속도와 가속도 성분을 적분하여 항법 결과를 계산하는 특성으로 인하여 오차가 누적되는 단점이 있다.Inertial measurement unit (IMU) and speed compensator are representative sensors used to implement complex navigation. However, although the navigation information calculated through the IMU is accurate in a short time, there is a disadvantage in that an error is accumulated due to the characteristic of calculating the navigation result by integrating the angular velocity and acceleration components.
이러한 오차를 개선하기 위해서는 정밀 알고리즘 및 항법에 필요한 센서, 장비 및 구축 비용에 많은 비용과 인력이 필요하게 된다.In order to improve these errors, a lot of money and manpower are required for sensors, equipment, and construction costs required for precision algorithms and navigation.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 단위모듈로 구성된 통합항법보드와 6축 MEMS IMU, 3축 지자계를 고신뢰성 10축 복합 항법시스템으로 통합한 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention for solving this problem is to provide a high-reliability integrated built-in complex navigation system that integrates an integrated navigation board composed of unit modules, a 6-axis MEMS IMU, and a 3-axis geomagnetic field into a high-reliability 10-axis composite navigation system. do.
그리고 본 발명은 3축 자이로와 3축 가속도계로 구성된 6축 IMU와 3축 지자계와 1축고도계의 센서신호를 결합하여 관성항법처리한 다음, GPS를 이용한 위성항법처리와 통합하여 복합항법처리를 구성한 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention performs inertial navigation processing by combining sensor signals of a 6-axis IMU, 3-axis geomagnetic field, and 1-axis altimeter composed of a 3-axis gyro and 3-axis accelerometer, and then integrates with the satellite navigation processing using GPS to perform complex navigation processing Another object of the present invention is to provide a highly reliable integrated built-in complex navigation system.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템은 온도 보정이 되며 6축 IMU를 포함하는 기능성패키지와 3축 지자계 및 1축 고도계를 포함하는 기능패키지, 및 상기 기능패키지의 데이터를 I2C버스로 수신하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 온도보정된 기능성패키지의 데이터와 3축 지자계의 출력데이터 그리고 1축고도계의 출력데이터를 I2C버스로 입력받아 센서보정 알고리즘 등을 통하여 센서 신호들을 결합하고 결합한 데이터를 메인보드로 출력하도록 구성함으로써 달성될 수 있다.The high-reliability integrated built-in complex navigation system of the present invention for solving this problem is temperature-corrected, and a functional package including a 6-axis IMU and a function package including a 3-axis geomagnetic field and a 1-axis altimeter, and data of the function package includes a control unit for receiving through the I 2 C bus, the control unit receives the data of the temperature-corrected functional package, the output data of the 3-axis earth magnetic field, and the output data of the 1-axis altimeter through the I 2 C bus to receive the sensor correction algorithm, etc. It can be achieved by combining sensor signals through and configuring the combined data to be output to the main board.
또한, 상기 IMU에 사용할 수 있는 GPS_1 및 GPS로 동작하는 실시간 위치 모듈을 더 포함하며, 상기 메인보드는 항재밍을 포함하는 통합항법보드로 10축 복합 항법 모듈과 실시간 위치 모듈로부터 SPI신호를 수신하여 복합항법 시스템을 운영하기 위한 프로그램을 구동하도록 동작한다.In addition, it further includes a real-time location module operating with GPS_1 and GPS that can be used for the IMU, and the main board is an integrated navigation board including anti-jamming, which receives SPI signals from the 10-axis complex navigation module and the real-time location module. It operates to run the program for operating the complex navigation system.
또한, 상기 GPS_1로 수신한 GPS데이터를 UART(범용 비동기화 송수신기: Universal asynchronous receiver/transmitter)로 이용하여 출력되는 병렬데이터를 직렬 방식으로 전환하여 제어부로 전송하고, In addition, the parallel data output by using the GPS data received by the GPS_1 as a UART (Universal asynchronous receiver/transmitter) is converted into a serial method and transmitted to the control unit,
상기 IMU는 터널, 건물 내부 또는 전자적 간섭이 있을 때와 같이 GPS_1신호를 사용할 수 없을 때 별도의 GPS수신기인 실시간 위치 모듈을 사용하여 GPS위치 정보를 수신한다.The IMU receives GPS location information using a real-time location module, which is a separate GPS receiver, when the GPS_1 signal cannot be used, such as in a tunnel, inside a building, or when there is electronic interference.
그리고 상기 소프트웨어는 인가된 재밍 신호를 제거하기 위한 항재밍신호처리 알고리즘을 수행하는 소프트웨어인 항재민 소프트웨어와 재밍신호가 제거된 위성신호를 처리하여 위성항법해를 구하기 위한 소프트웨어인 위성항법소프트웨어와 관성측정기에서 측정된 가속도와 각속도 정보를 사용하여 관성항법 해를 구하는 소프트웨어인 관성항법소프트웨어 그리고 위성항법해와 관성항법해를 통합하여 오차가 보정된 복합항법 해를 구하기 위한 소프트웨어인 통합항법 소프트웨어를 포함할 수 있다.In addition, the software includes anti-jamming software, which is software for performing an anti-jamming signal processing algorithm to remove the applied jamming signal, and satellite navigation software and inertial measuring device, which are software for processing satellite signals from which the jamming signal is removed to obtain a satellite navigation solution. It may include inertial navigation software, which is software that obtains an inertial navigation solution using the acceleration and angular velocity information measured in , and integrated navigation software, which is software for obtaining a compound navigation solution with an error corrected by integrating the satellite navigation solution and the inertial navigation solution. have.
따라서 본 발명의 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템에 의하면, 저비용 IMU(MEMS) 센서에 온도 보정 기능을 더하여 고가의 장비 성능 수준의 10축 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.Therefore, according to the high-reliability integrated built-in complex navigation system of the present invention, it is possible to provide a 10-axis sensor with an expensive equipment performance level by adding a temperature compensation function to a low-cost IMU (MEMS) sensor.
또한, 본 발명의 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템에 의하면, 복합항법 알고리즘을 사용하기 때문에 오차 가능성을 최대한 줄일 수 있어 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the high-reliability integrated built-in complex navigation system of the present invention, since the complex navigation algorithm is used, the possibility of error can be reduced as much as possible, thereby increasing reliability.
또한, 본 발명의 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템에 의하면, PID 알고리즘 온도 보정으로 최적의 IMU 성능 출력을 기대할 수가 있으며, 작은 모듈타입 형태로 구성이 가능하기 때문에 공간 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the high-reliability integrated built-in complex navigation system of the present invention, optimal IMU performance output can be expected through temperature correction of the PID algorithm, and since it can be configured in a small module type, there is an effect of increasing space efficiency.
도 1은 종래의 항법 시스템의 일 예를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명 고신뢰성 통합 복합항법시스템의 주요 구성도,
도 3은 본 발명 복합항법시스템의 S/W 기능흐름도,
도 4는 지상 통합 시험에 관한 참고도면,
도 5는 기능성 패키지의 단면도를 예시한 도면,
도 6은 다른 실시예에 의한 10축 복합 항법 시스템의 구성도,
도 7은 약결합 방식의 INS/GNSS 통합 항법 시스템의 구성도,
도 8은 강결합 방식의 INS/GNSS 통합 항법 시스템의 구성도,
그리고
도 9는 센서융합시스템의 일례를 도시한 도면이다.
1 is a view showing an example of a conventional navigation system;
2 is a main configuration diagram of a high-reliability integrated complex navigation system of the present invention;
3 is a S/W functional flow diagram of the complex navigation system of the present invention;
4 is a reference view of the ground integration test,
5 is a diagram illustrating a cross-sectional view of a functional package;
6 is a block diagram of a 10-axis complex navigation system according to another embodiment;
7 is a block diagram of a weakly coupled INS / GNSS integrated navigation system;
8 is a configuration diagram of an INS / GNSS integrated navigation system of a strong coupling method;
And
9 is a diagram illustrating an example of a sensor fusion system.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the present specification and claims are not to be construed as limited to their ordinary or dictionary meanings, and on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to best describe his invention. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated. In addition, terms such as “…unit”, “…group”, “module”, and “device” described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is implemented by a combination of hardware and/or software. can be
명세서 전체에서 "및/또는"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목"의 의미는 제1, 제2 또는 제3 항목뿐만 아니라 제1, 제2 또는 제3 항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.Throughout the specification, the term “and/or” should be understood to include all possible combinations from one or more related items. For example, the meaning of "the first item, the second item and/or the third item" means to be presented from the first, second, or third item as well as two or more of the first, second, or third items. A combination of all possible items.
명세서 전체에서 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c, ...)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 한정하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.In each step throughout the specification, identification symbols (eg, a, b, c, ...) are used for convenience of description, and identification codes do not limit the order of each step, and each step is Unless the context clearly dictates a specific order, the order may differ from the stated order. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 2는 본 발명 고신뢰성 통합 복합항법시스템의 주요 구성도로서, 도시된 바와 같이 본 발명의 복합항법시스템은 10축 복합 항법 모듈(100)과 실시간 위치 모듈(200) 그리고 메인보드(300)를 포함한다.2 is a main configuration diagram of the present invention high-reliability integrated complex navigation system. As shown, the complex navigation system of the present invention includes a 10-axis
10축 복합 항법 모듈(100)은 온도 보정이 되며 6축 IMU를 포함하는 기능성패키지(120)와 3축 지자계(140) 그리고 1축 고도계(150)의 데이터를 I2C버스로 제어부(110)에 입력하여 10축 복합 항법 데이터를 메인보드(300)로 출력하도록 제어한다.The 10-axis
기능성패키지(120)는 제어부(110)에서 출력되는 PWM을 PID를 사용한 온도보정을 하고 온도보정된 데이터를 제어부(110)로 I2C버스로 전송된다.The
이러한 기능성 패키지의 일례가 도 5에 개시되어 있다.An example of such a functional package is shown in FIG. 5 .
도면을 참고하면, 본 발명의 기능성패키지(120)는 자이로스코프와 가속도계의 바이어스 반복도 향상을 위한 다른 영역에서의 개선사항을 기능성 패키지에 작용한 것으로, 도면과 같은 구성을 형성함으로써, 바이어스 반복도가 향상되고 온도와 진동에 있어서 그 민감도를 개선할 수 있는 것이다. Referring to the drawings, the
도 5는 기능성 패키지의 단면도를 예시한 도면으로, 패키지안에 히터와 RTD 온도센서가 IMU와 함께 플랫폼에 탑재되어 있음을 알 수 있다.5 is a diagram illustrating a cross-sectional view of a functional package, and it can be seen that the heater and the RTD temperature sensor are mounted on the platform together with the IMU in the package.
이러한 구성으로 바이어스 반복도를 개선하고 IMU의 불규칙 오차는 양자화잡음, 랜덤워크, 바이어스 등이 혼합되어 나타나기 때문에 바이어스 반복도 평가를 위해서는 이러한 오차를 추정하여 그 중에서 센서의 중요한 오차 성분인 바이어스를 추출하여 개선할 수 있다.With this configuration, the bias repeatability is improved and the irregular error of the IMU is a mixture of quantization noise, random walk, bias, etc., so to evaluate the bias repeatability, we estimate these errors and extract the bias, an important error component of the sensor can be improved
즉 실험데이터에 의한 Allan분산을 계산하고 이를 불규칙오차의 종류와 크기를 추정한 다음 바이어스 성분을 추출하고 전원 온/오프에 반복시험에 의한 바이어스 반복도를 계산하는 것이다.That is, it calculates the Allan variance based on the experimental data, estimates the type and size of the random error, extracts the bias component, and calculates the bias repeatability by repeated tests at power-on/off.
Allan분산은 혼합된 잡음의 각각의 성분을 추정하는 방법으로 IEEE 표준으로 정해져 있는 구간별 데이터의 평균의 차이에 대한 분산방법이다.Allan variance is a method of estimating each component of mixed noise, and is a variance method for the difference in the average of data for each section defined by the IEEE standard.
이를 위하여 기능성패키지(120)는 히터(123)와 온도계(121) 그리고 6축 IMU(122)로 구성한다.To this end, the
PID(비례-적분-미분 제어기;Proportional-Integral-Differential controller)를 히터(123)에 인가하여 온도를 제어하되 6축 IMU(122)에 내장된 온도계(121)에 따라 온도 제어가 이루어지도록 한다.A PID (Proportional-Integral-Differential controller) is applied to the
6축 IMU(122)는 6축 관성 측정장치로 가속도계와 회전 속도계, 때로는 자력계의 조합을 사용하여 신체의 특정한 힘, 각도 비율 및 때로는 신체를 둘러싼 자기장을 측정하는 전자 장치이나 본 발명에서는 하나 이상의 가속도계를 사용하여 선형 가속도를 감지하고 하나 이상의 자이로스코프를 사용하여 회전 속도를 감지함으로써 작동한다The 6-
이러한 IMU는 일반적으로 무인 항공기(무인 항공기)를 포함한 항공기와 인공위성과 육지를 포함한 우주선을 조종하는 데 사용된다. These IMUs are commonly used to control aircraft, including unmanned aerial vehicles (unmanned aerial vehicles), and spacecraft, including satellites and land.
또한, 본 발명의 MEMS 센서의 동작 오류 및 오차를 줄이기 위하여 2개 이상의 앙상블 자이로와 가속도 센서를 사용하여 신호처리 및 오차 보정 알고리즘을 적용하여 센서의 최고 성능을 구현하도록 구성한다.In addition, in order to reduce operation errors and errors of the MEMS sensor of the present invention, signal processing and error correction algorithms are applied using two or more ensemble gyros and acceleration sensors to realize the highest performance of the sensor.
이를 위하여 본 발명에서의 6축 IMU(122)는 3축 가속도계를 사용하여 선형 가속도를 감지하고 3축 자이로스코프를 사용하여 회전 속도를 감지하도록 동작한다.To this end, the 6-
본 발명은 IMU에 사용할 수 있는 GPS_1(160)장치로부터 GPS데이터를 UART(범용 비동기화 송수신기: Universal asynchronous receiver/transmitter)로 이용하여 GPS_1(160)으로부터 출력되는 병렬데이터를 직렬 방식으로 전환하여 제어부(110)로 전송하도록 한다.The present invention converts the parallel data output from GPS_1 (160) into a serial method by using the GPS data from the GPS_1 (160) device that can be used in the IMU as a UART (Universal asynchronous receiver/transmitter) to convert the control unit ( 110) to be transmitted.
또한, IMU는 터널, 건물 내부 또는 전자적 간섭이 있을 때와 같이 GPS_1신호를 사용할 수 없을 때 별도의 GPS수신기인 GPS_2(200)를 사용할 수 있도록 한다.In addition, the IMU allows the use of a separate GPS receiver, GPS_2 ( 200 ) when the GPS_1 signal cannot be used, such as in a tunnel, inside a building, or when there is electronic interference.
제어부(110)는 I2C버스로 전송되는 기능성패키지(120)와 3축지자계(140), 그리고 1축고도계(150)로부터 센싱정보를 수신하도록 동작한다.The
즉, 제어부(110)는 온도보정된 기능성패키지(120)의 데이터와 3축 지자계(140)의 출력데이터 그리고 1축고도계(150)의 출력데이터를 I2C버스로 입력받아 센서보정 알고리즘 등을 통하여 센서 신호들을 결합하고 결합한 데이터를 메인보드(300)로 출력한다.That is, the
참고로 I2C버스는 양방향 2선 통신 규격으로 SDA데이터 라인과 SCL클럭라인으로 구성하고, 2선은 풀업저항으로 VDD에 연결되어 데이터 전송은 bus상태가 busy가 아닐 때 시작가능하며, non busy란 SCL, SDA 모두 high상태를 의미한다.For reference, the I 2 C bus is a bidirectional two-wire communication standard and consists of an SDA data line and an SCL clock line, and the two wires are connected to VDD with a pull-up resistor, so data transmission can be started when the bus state is not busy. means that both SCL and SDA are high.
메인보드(300)는 항재밍을 포함하는 통합항법보드로 10축 복합 항법 모듈(100)과 실시간 위치 모듈(200)로부터 SPI신호를 수신하여 복합항법 시스템을 운영하기 위한 프로그램을 구동하도록 동작한다.The
도 3의 본 발명 복합항법시스템의 S/W 기능 흐름도를 참고하면, 항재민 소프트웨어는 인가된 재밍 신호를 제거하기 위한 항재밍신호처리 알고리즘을 수행하는 소프트웨어이고, 위성항법소프트웨어는 재밍신호가 제거된 위성신호를 처리하여 위성항법해를 구하기 위한 소프트웨어를, 관성항법소프트웨어는 관성측정기에서 측정된 가속도와 각속도 정보를 사용하여 관성항법 해를 구하는 소프트웨어이다.Referring to the S/W function flowchart of the present invention complex navigation system of FIG. 3, the anti-jamming software is software that performs an anti-jamming signal processing algorithm to remove the applied jamming signal, and the satellite navigation software is Inertial navigation software is software to obtain a satellite navigation solution by processing satellite signals, and the inertial navigation software is a software to find an inertial navigation solution using the acceleration and angular velocity information measured by the inertial measuring instrument.
통합항법 소프트웨어는 위성항법해와 관성항법해를 통합하여 오차가 보정된 복합항법 해를 구하기 위한 소프트웨어이다.The integrated navigation software is a software for obtaining a compound navigation solution with error correction by integrating the satellite navigation solution and the inertial navigation solution.
도 4는 지상 통합 시험에 관한 참고도면으로, IMU비행체시험은 비행체를 이용하여 비행 시험을 수행하는 것이며, 지상통합성능시험은 복합항법시스템의 성능을 LAB시험과 무반향챔버에서 확인하며 추가로 개발한 HIKS용 시험장비를 이용하여 시험을 수행하는 것을 의미한다.4 is a reference diagram for the ground integrated test, the IMU vehicle test is to perform a flight test using an air vehicle, and the ground integrated performance test confirms the performance of the complex navigation system in the LAB test and the anechoic chamber. It means performing the test using the HIKS test equipment.
통합항법성능시험은 LAB시험, 차량시험, 비행시험을 통해 복합항법시스템의 항법 성능을 확인하는 것이며, 인증시험은 환경시험, 전자파시험, 항공용 전원시험을 수행하는 것을 의미한다.The integrated navigation performance test verifies the navigation performance of the complex navigation system through LAB test, vehicle test, and flight test, and certification test means performing environmental test, electromagnetic wave test, and power supply test for aviation.
도 6은 다른 실시예에 의한 10축 복합 항법 시스템의 구성도로서, GNSS수신보드에서 4소자 ANT를 통하여 위성신호를 수신하고 이를 위성항법처리단에서 처리한 다음 복합항법처리블럭으로 전송하고, 6축 IMU에서 센서값을 수신하여 보정된 센서값과 3축 지자계 그리고 고도계로부터 센서값을 신호결합하여 관성항법처리하여 복합항법처리블럭으로 전송하여 복합항법 시스템을 운영하기 위한 프로그램을 구동하도록 동작한다.6 is a block diagram of a 10-axis complex navigation system according to another embodiment. A GNSS receiving board receives a satellite signal through a 4-element ANT, processes it in a satellite navigation processing unit, and then transmits it to a complex navigation processing block, 6 It receives the sensor value from the axis IMU, combines the corrected sensor value with the sensor value from the 3-axis geomagnetic field and the altimeter, processes the inertial navigation, and transmits it to the complex navigation processing block to drive the program for operating the complex navigation system. .
참고로 도 7은 약결합 방식의 INS/GNSS 통합 항법 시스템의 구성도이고, 도 8은 강결합 방식의 INS/GNSS 통합 항법 시스템의 구성도이다.For reference, FIG. 7 is a configuration diagram of a weakly coupled INS/GNSS integrated navigation system, and FIG. 8 is a configuration diagram of a strongly coupled INS/GNSS integrated navigation system.
먼저, 도 7을 참조하여 약결합 방식의 기본 개념을 설명하면, GPS 신호처리와 관성항법(추측항법의 일종) 신호처리가 각각 독립적으로 이루어진다. GPS 측정First, the basic concept of the weak coupling method will be described with reference to FIG. 7 , where GPS signal processing and inertial navigation (a type of guessing navigation) signal processing are independently performed. GPS measurement
데이터가 GPS 수신기(GPS Receiver, 20) 내의 GPS 전용 칼만 필터(Kalman Fillter)에서 독립적으로 처리된 후, 이 필터의 출력이 주기적으로 INS(Inertial Navigation System) 전용 필터(Kalman Filter,)의 입력 신호로 사용된다. 구체적으로 GPS 수신기와 위치 속도 획득부(PV)를 통한 GPS 신호 처리에 의해 위치 및 속도 추정치를 획득한다. 그리고 관성 측정 유닛(IMU: Inertial Measurement Unit), 항법 프로세서와 위치속도 획득부를 통한 관성항법 신호처리에 의해 위치 및 속도 추정치를 획득한다. 그리고 병합부를 통해 상기 GPS 신호 처리에 의한 위치 및 속도 추정치와 상기 관성항법 신호처리에 의한 위치 및 속도 추정치의 차이값을 구한다. 그리고 INS 전용 필터는 상기 차이값을 오차값 추정을 위한 측정 데이터로서 이용한다. 그리고 병합부에 의해 상기 관성항법 신호 처리에 의한 위치 및 속도 추정치는 칼만 필터에 의해 얻어진 오차 추정치(Error Estimates)와 병합되어 출력된다. GPS 신호 처리에 의한 위치(Position) 및 속도(Velocity), 공분산(Covariance) 행렬은 측정 잡음으로써 GPS 수신기(20) 내의 GPS 전용 필터로부터 INS 전용 필터로 전달된다. 이러한 약결합 방식을 구현하는 방법에는 적용 분야에 따라 개루프(피드 포워드) 및 폐루프(피드백) 방식이 있다.After the data is independently processed by the GPS-only Kalman Filter in the GPS Receiver 20, the output of this filter is periodically converted to the input signal of the INS (Inertial Navigation System) dedicated filter (Kalman Filter). used Specifically, a position and velocity estimate are acquired by processing a GPS signal through a GPS receiver and a position velocity acquisition unit (PV). In addition, position and velocity estimates are obtained by processing an inertial navigation signal through an inertial measurement unit (IMU), a navigation processor, and a position and velocity acquisition unit. Then, a difference value between the position and velocity estimate by the GPS signal processing and the position and velocity estimate by the inertial navigation signal processing is obtained through the merging unit. In addition, the INS-only filter uses the difference value as measurement data for estimating an error value. In addition, the position and velocity estimates obtained by the inertial navigation signal processing by the merging unit are merged with the error estimates obtained by the Kalman filter and output. Position, velocity, and covariance matrices by GPS signal processing are transferred from the GPS-only filter in the GPS receiver 20 to the INS-only filter as measurement noise. A method for implementing such a weak coupling method includes an open loop (feed forward) and a closed loop (feedback) method depending on the field of application.
개루프 방식에서는 관성항법 장치가 칼만 필터의 존재와 관계없이 독립적으로 동작한다. 칼만 필터는 관성항법장치의 항법정보 오차를 추정하고, 수정하며, 출력한다. 수정된 파라미터 및 추정된 센서의 바이어스(Bias)/드리프트(Drift) 성분은 관성항법 장치로 되돌려지지 않는다. 관성항법 오차 모델은 항법 방정식을 테일러(Taylor) 급수 전개를 이용해 선형화시킴으로써 얻어진다. 피드백이 없으므로 관성항법 장치의 오차가 급격히 증가하게 되고, 이로 인해 테일러 급수 전개의 과정에서 무시된 항들의 영향력이 커지게 되어 전체 시스템에서 큰 오차가 발생될 가능성이 잠재한다. 이러한 종류의 결합 방식은 비교적 작은 오차만을 전파시키는 고성능 관성 센서를 사용하는 경우에 적합하고, 저가의 MEMS 관성항법 장치인 경우에는 단시간에 큰 오차를 전파시키게 되므로 실시간 오차 보정이 병행되지 않는 한 이러한 방식이 적합하지 않다.In the open-loop method, the inertial navigation system operates independently regardless of the presence of the Kalman filter. The Kalman filter estimates, corrects, and outputs the navigation information error of the inertial navigation system. The corrected parameters and the estimated bias/drift components of the sensor are not returned to the inertial navigation system. The inertial navigation error model is obtained by linearizing the navigation equation using the Taylor series expansion. Since there is no feedback, the error of the inertial navigation system rapidly increases, which increases the influence of terms ignored in the process of Taylor series expansion, potentially causing a large error in the entire system. This type of coupling method is suitable for using a high-performance inertial sensor that propagates only a relatively small error, and in the case of a low-cost MEMS inertial navigation device, a large error is propagated in a short time. This is not suitable.
폐루프 방식에서는 센서의 최초 출력 데이터 및 기타 관성항법 장치의 파라미터가 칼만 필터에 의해 얻어진 추정 오차(Error Estimates)를 이용해 수정되도록 한다. 이러한 폐루프 방식은 개루프 방식에 비해 관성항법 장치가 상대적으로 작은 오차만을 전파시키도록 할 수 있다. 위성항법 및 추측항법의 약결합 방식은 상대적으로 구조가 간단하고 계산이 단순하여 구현이 쉽고 많은 연산능력을 필요로 하지 않는다. In the closed loop method, the initial output data of the sensor and other parameters of the inertial navigation device are corrected using the error estimates obtained by the Kalman filter. This closed-loop method can allow the inertial navigation device to propagate only a relatively small error compared to the open-loop method. The weak coupling method of satellite navigation and dead reckoning has a relatively simple structure and simple calculation, so it is easy to implement and does not require much computational power.
도 8은 강결합 방식의 기본 개념을 나타낸 도면으로, 강결합 방식을 설명하면, 위성항법과 추측항법의 강결합 방식에서는 INS 알고리즘의 일련의 관성항법 방정식에 의해 관성항법 장치의 최초 측정 데이터를 유용한 위치(Position), 속도(Velocity) 및 자세(Attitude) 등의 정보로 변환한다. 관성항법 방정식의 구현은 2단계의 과정을 거쳐 수행되는데, 첫번째 단계에서는 센서 몸체가 감지한 각속도를 적분하여 IMU 보디 프레임(body-frame)으로부터 ECEF(Earth-Centered Earth-Fixed) 프레임으로의 변환 행렬을 계산한다. 자이로스코프는 지구 자전에 의한 각속도와 사용자의 움직임에 의한 각속도를 감지한다. 사용자의 실제 각속도를 알아내기 위해 지구 자전속도를 보디 프레임(body-frame)으로 변환한 다음에 이를 측정된 각속도로부터 빼주어야 한다.8 is a view showing the basic concept of the strong coupling method. When explaining the strong coupling method, in the strong coupling method of satellite navigation and dead reckoning, the initial measurement data of the inertial navigation device is useful by a series of inertial navigation equations of the INS algorithm. It is converted into information such as Position, Velocity, and Attitude. The implementation of the inertial navigation equation is carried out through two steps. In the first step, the angular velocity sensed by the sensor body is integrated and the transformation matrix from the IMU body-frame to the ECEF (Earth-Centered Earth-Fixed) frame. to calculate The gyroscope detects the angular velocity caused by the Earth's rotation and the angular velocity caused by the user's movement. To find out the user's actual angular velocity, the earth's rotation velocity must be converted into a body-frame and then subtracted from the measured angular velocity.
일단 각속도를 구한 다음에 쿼터니언(Quarternion) 접근법을 써서 변환 행렬을 계산한다. 두 번째 단계에서는 계산된 변환 행렬을 이용하여 가속도계의 측정 데이터를 IMU 보디 프레임(body- frame)으로부터 ECEF 프레임으로 회전시킨다. 가속도계의 출력은 사용자의 실제 가속도, 코리올리(Coriolis) 가속도 및 중력 가속도의 합을 나타낸다. 따라서 사용자의 실제 가속도를 도출하기 위해서, 감지된 가속도 정보에 대해 코리올리(Coriolis) 가속도 및 중력 가속도를 이용한 보상이 이루어져야 한다. 이렇게 해서 얻어진 가속도를 적분하여 위치 및 속도의 해를 구할 수 있다. Once the angular velocity is found, the transformation matrix is computed using a quaternion approach. In the second step, the measured data of the accelerometer is rotated from the IMU body-frame to the ECEF frame using the calculated transformation matrix. The output of the accelerometer represents the sum of the user's actual acceleration, Coriolis acceleration, and gravitational acceleration. Therefore, in order to derive the user's actual acceleration, compensation using the Coriolis acceleration and the gravitational acceleration should be performed for the sensed acceleration information. By integrating the acceleration obtained in this way, the solution of position and velocity can be obtained.
관성항법 장치의 최초 측정 데이터를 거기에 내재하는 오차를 고려하지 않고 처리한다. 이러한 오차를 수정해 주기 위하여, GPS 데이터를 측정 갱신용 신호로써 이용해 INS 출력의 오차를 추정하는 INS 필터(칼만 필터)가 사용된다. 차동 모드로 제공되는 GPS 갱신 신호에 의하여 의사 거리 측정 데이터는 INS 필터의 측정 갱신용 신호로 사용된다. 위성항법 및 추측항법의 강결합 방식은 수신된 위성신호의 수가 4개 미만인 경우에도 동작하는 장점이 있다.The initial measurement data of the inertial navigation system is processed without considering the error inherent therein. In order to correct this error, an INS filter (Kalman filter) that estimates the error of the INS output using GPS data as a signal for measurement update is used. The pseudo range measurement data is used as a measurement update signal of the INS filter by the GPS update signal provided in differential mode. The strong coupling method of satellite navigation and dead reckoning has an advantage in that it operates even when the number of received satellite signals is less than four.
참고로 도 9는 센서융합시스템의 일례를 도시한 도면이다.For reference, FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a sensor fusion system.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the present invention has been described in detail with respect to the described embodiments, it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope of the technical spirit of the present invention, and it is natural that such variations and modifications belong to the appended claims.
100 : 10축 복합 항법 모듈
110 : 제어부
120 : 기능성패키지
140 : 3축 지자계
150 : 1축 고도계
160 : GPS1
200 : 실시간 위치 모듈
300 : 메인보드100: 10-axis complex navigation module 110: control unit
120: functional package 140: 3-axis geomagnetic field
150: 1-axis altimeter 160: GPS1
200: real-time location module 300: main board
Claims (5)
상기 기능패키지의 데이터를 I2C버스로 수신하는 제어부(110);
를 포함하고,
상기 제어부(110)는 온도보정된 기능성패키지(120)의 데이터와 3축 지자계(140)의 출력데이터 그리고 1축고도계(150)의 출력데이터를 I2C버스로 입력받아 센서보정 알고리즘 등을 통하여 센서 신호들을 결합하고 결합한 데이터를 메인보드(300)로 출력하는 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템.
Temperature compensation and a functional package including a 6-axis IMU and a functional package 120 and a 3-axis geomagnetic field 140 and a 1-axis altimeter 150; And
a control unit 110 for receiving the data of the function package through an I 2 C bus;
including,
The control unit 110 receives the data of the temperature-corrected functional package 120, the output data of the 3-axis earth magnetic field 140, and the output data of the 1-axis altimeter 150 through the I 2 C bus, and performs a sensor correction algorithm, etc. A highly reliable integrated integrated navigation system that combines sensor signals through and outputs the combined data to the main board (300).
상기 IMU에 사용할 수 있는 GPS_1(160);및
GPS로 동작하는 실시간 위치 모듈(200)
을 더 포함하며, 상기 메인보드(300)는 항재밍을 포함하는 통합항법보드로 10축 복합 항법 모듈(100)과 실시간 위치 모듈(200)로부터 SPI신호를 수신하여 복합항법 시스템을 운영하기 위한 프로그램을 구동하도록 동작하는 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템.
The method according to claim 1,
GPS_1 (160) available for the IMU; and
Real-time location module 200 operated by GPS
Further comprising, the main board 300 is an integrated navigation board including anti-jamming, a program for operating the complex navigation system by receiving the SPI signal from the 10-axis complex navigation module 100 and the real-time location module 200 A highly reliable integrated built-in complex navigation system that operates to drive
상기 GPS_1(160)로 수신한 GPS데이터를 UART(범용 비동기화 송수신기: Universal asynchronous receiver/transmitter)로 이용하여 출력되는 병렬데이터를 직렬 방식으로 전환하여 제어부(110)로 전송하는 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템.
3. The method of claim 2,
High reliability integrated built-in composite navigation that converts the parallel data output by using the GPS data received by the GPS_1 160 as a UART (Universal asynchronous receiver/transmitter) into a serial method and transmits it to the control unit 110 system.
상기 IMU는 터널, 건물 내부 또는 전자적 간섭이 있을 때와 같이 GPS_1신호를 사용할 수 없을 때 별도의 GPS수신기인 실시간 위치 모듈(200)을 사용하여 GPS위치 정보를 수신하는 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템.
3. The method according to claim 2,
The IMU uses a real-time location module 200, a separate GPS receiver, to receive GPS location information when the GPS_1 signal cannot be used, such as in a tunnel, inside a building, or when there is electronic interference.
상기 소프트웨어는
인가된 재밍 신호를 제거하기 위한 항재밍신호처리 알고리즘을 수행하는 소프트웨어인 항재민 소프트웨어와 재밍신호가 제거된 위성신호를 처리하여 위성항법해를 구하기 위한 소프트웨어인 위성항법소프트웨어와 관성측정기에서 측정된 가속도와 각속도 정보를 사용하여 관성항법 해를 구하는 소프트웨어인 관성항법소프트웨어 그리고 위성항법해와 관성항법해를 통합하여 오차가 보정된 복합항법 해를 구하기 위한 소프트웨어인 통합항법 소프트웨어를 포함하는 고신뢰성 통합 내장형 복합항법 시스템.
3. The method according to claim 2,
the software is
Anti-jamming software, which is software that executes anti-jamming signal processing algorithm to remove the applied jamming signal, and satellite navigation software, which is software to obtain a satellite navigation solution by processing the satellite signal from which the jamming signal has been removed, and the acceleration measured by the inertial measuring instrument A high-reliability integrated built-in complex including inertial navigation software, which is software that obtains an inertial navigation solution by using and angular velocity information, and integrated navigation software, which is software to obtain an error-corrected composite navigation solution by integrating a satellite navigation solution and an inertial navigation solution navigation system.
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| KR1020190156074A KR20210066613A (en) | 2019-11-28 | 2019-11-28 | High reliability integrated embedded navigation system |
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