INS (Inertial Navigation System)

소개글

INS (Inertial Navigation System)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

개 요

1) INS
① 관성항법장치(INS)
② 관성항법장치의 원리
③ 관성항법장치의 구성
④ 관성항법장치의 이론
⑤ 관성항법장치의 특징
⑥ 관성항법시스템의 오차

2) GPS
⑦ GPS(Global Positioning System)

3) GPS/INS
⑧ GPS/INS 결합시스템

본문내용

대한 의사거리를 이용하면 위치와 시각을 동시에 구할 수 있으므로 GPS는 항법, 측지, 자세 측정 및 정확한 시간을 요구하는 통신 등에서도 응용된다.
GPS는 크게 우주 부문(Space Segment), 위성제어부문(Control segment), 사용자부문(User Segment)의 4가지로 구성된다. 우주 부문은 지구로부터 약 20,000km 상공에서 55°경사각을 이루는 6개의 궤도면에 4개의 위성이 배치되어 언제 어디서나 서비스를 제공받을 수 있도록 총 24개의 위성이 11시간 58분의 주기로 고도 20,200km의 원 궤도를 가지고 운용된다. 제어부문은 전 세계 5개의 제어국으로 구성되며, 위성의 성는 모니터링, 정밀한 위성궤도 결정 및 위성시각 보정 그리고 주기적으로 위성의 궤도력(Ephemeris)을 GPS위성에 전달하여 사용자가 수신할 수 있도록 한다. 사용자부문은 육지, 해양, 공중에서 GPS항법서비스를 이용하는 GPS사용자 전체를 의미한다.
GPS위성은 항법신호에는 위성시계 및 전리층 지연 보상계수, 기준시각, 위성궤도 변수, 전체 위성의 배치 및 위성의 상태 등의 정보를 포함하며, 수신기는 항법신호를 이용하여 위치 계산에 필요한 위성의 정확한 위치를 계산할 수 있다. PRN코드는 위성의 식별과 의사거리 측정을 위해서 사용되며 민간 사용자를 위한 C/A코드(Coarse / Acquisition code)와 군용 신호로 사용되는 P코드(Precision code)로 나뉜다.
GPS위성은 사용자가 최소 4개의 위성으로부터 신호를 수신할 수 있도록 배치되어 있으며, 일반 사용자를 위한 항법용 주파수를 2개 할당하여 연속적으로 전송하고 있다. 기준 주파수는 10.23MHz이고, 항법신호(Navigation Message)와 PRN 코드(Pseudo Random Noise Code)를 L1(1575.42MHz)과 L2(1227.60MHz)의 두 개의 반송파를 이용하여 사용자에게 송출한다.
L1반송파는 기준주파수에 154배인 1,575.42MHz와 L2반송파는 120배인 1227.60MHz이다. GPS위성은 L1반송파에 P코드와 C/A코드, L2반송파에는 P코드를 반송하고 있다. 항법데이터는 L1과 L2반송파에 모두 변조되어 반송된다.
⑧ GPS/INS 결합시스템
- INS는 관성센서의 출력을 이용하여 항체의 위치, 속도 및 자세를 계산하는 자립형 항법시스템으로 연속적인 항법 해를 제공하고 동적특성이 좋다는 장점을 가지고 있다. 그러나 항법 계산과정에서 적분에 의해 항법 오차가 누적되어 시간이 지날수록 오차가 점진적으로 증가하는 단점이 있다.
반면에 GPS는 인공위성에 의한 전파항법시스템으로 시간에 따른 오차의 증가가 없이 항상 일정한 오차범위 내에서 비교적 정확한 항법 해를 제공하지만 항법 계산 주기가 INS에 비해 상대적으로 길고 항체가 큰 동적 특성을 가질 경우 오차가 증가하며 가시위성의 개수가 3개 이하일 경우 항법 해를 계산하지 못하는 단점이 있다.
INS
GPS
장점
자립형항법시스템
연속적인 항법정보계산 (100Hz)
동적특성이 좋음
위성항법시스템
시간에 따른 오차누적이 없음
정적특성과 정확도가 좋음
저가(low cost)의 항법시스템
단점
시간에 따라 오차 증가
고가의 항법시스템
항법 계산주기가 길다(1Hz)
동적 환경 하에서 오차가 큼
가시위성의 개수에 제한

따라서 두 시스템의 장점을 살리고 단점을 상호 보완 할 수 있는 GPS/INS 결합시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고 GPS와 INS의 결합은 동적특성이 좋고 연속적인 항법계산이 가능한 INS를 기준센서로 하여 시간에 따른 오차증가가 없는 GPS를 보조 센서로 이용하여 전체적인 시스템의 성능을 향상시키는 목적으로 구성되는데 INS와 GPS를 결합하는 방식은 사용하는 GPS의 정보에 따라 약결합방식(Loosely Coupled)과 강결합방식(Tightly Coupled)으로 나뉜다.
약결합방식은 GPS 수신기의 항법해인 위치와 속도를 결합시스템의 측정치로 사용하는 방법이며 강결합방식은 수신기가 수신한 의사거리와 의사거리 변화율 정보를 측정치로 사용하는 방법이다.
약결합방식은 INS와 GPS의 시스템 레벨의 결합으로 기존에 구성되어 있는 두 시스템을 결합하므로 구성이 용이하고 모델이 간단하다는 장점이 있다. 그러나 보조 정보로 이용하는 GPS의 항법 해는 항체가 큰 동적 특성을 가지고 운항을 할 경우 오차가 커지며 가시위성의 개수가 3개 이하가 되면 항법 해를 계산하지 못하므로 전체적인 시스템의 성능이 저하되는 단점이 있다.
강결합방식은 INS와 GPS 수신기의 센서레벨의 결합으로 약결합방식에 비해 구조가 복잡하고 구현이 어려우며 가시위성의 개수가 늘어날수록 계산량이 증가하며 측정모델이 복잡하다는 단점이 있다. 그러나 측정치로 사용하는 의사거리와 의사거리 변화율의 선형화 과정에서 동적특성이 좋은 INS의 정보를 이용하므로 약결합방식에 비해 동적 활경 하에서 오차가 작으며 가시위성의 개수가 3개 이하여도 보이는 위성에 대한 측정치를 사용하여 항법계산이 가능하므로 정보의 이용 면에서 효율적인 구조라 할 수 있다.
강결합방식의 확장으로 INS의 속도정보를 GPS 수신기에 되먹임 하여 수신기의 신호 수신 성능을 향상시킬 수 있는 구조가 있으며, 이러한 속도 정보의 되먹임 과정을 통하여 항체가 큰 가속도를 가지고 운동하는 경우 또는 장시간 위성 정보를 수신하지 못하는 경우 수신기의 신호 수신 성능을 향상시킬 수 있다고 알려져 있다.
약결합방식
강결합방식
특징
시스템 레별의 결합
GPS 위치, 속도 정보 이용
센서레벨의 결합
GPS 의사거리, 의사거리 변화율 정보이용
장점
구성용이, 모델이 간단함
계산량이 적음
동적특성이 좋음
가시위성의 제한을 받지 않음 (1개 이상)
INS의 속도정보를 GPS로 피드백 → GPS 신호수신 성능 향상
단점
가시위성이 3개 이하일 때 오차 증가
동적 특성이 나쁨
설계복잡, 구현이 어려움
측정모델이 복잡함
가시위성의 개수에 따라 계산량이 증가

키워드

INS ,   관성항법장치,   GPS ,   관성항법장치의 특징,   관성항법장치의 원리