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설레이는.. | 21/09/16 00:19 | 추천 2 | 조회 711

관성 항법 - 40년간의 진화 +301 [12]

SLR클럽 원문링크 m.slrclub.com/v/hot_article/940308

--번역체 주의--


긁어붙히다가 한번 날려먹었다가.. -_-;;;
겨우시 다시 씀


image.png


gimballed inertial platform


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Northrop's Advanced Inertial Reference Sphere for U.S.Air Force MX intercontinental ballistic missile






[Strapdown Gyros]
1970년대 전반에 걸쳐 0.5 - 1 해리/시간의 속도를 낼 수 있는 스트랩다운 시스템에 충분한 인력을 갖춘 자이로를 생산하려는 용감한 시도가 있었습니다. 특히, 두 개의 미국 회사가 회전식 자이로를 '거의' 달성했지만, 완전히는 아닙니다. 낮은 드리프트를 달성하려면 휠에 높은 각운동량이 필요합니다. 높은 토크 속도의 경우 이는 다시 토크 장치 전자석에서 수백 와트의 높은 전력을 필요로 합니다. 이로 인해 보상하기 어려운 높은 열 과도 현상이 발생합니다.
스트랩다운 시스템의 진정한 원동력은 Ring Laser Gyro (RLG)였습니다. 이것은 원래 회전식 자이로보다 더 나은 신뢰성을 달성하려는 동기로 60년대 중반부터 개발 중이었습니다. RLG 에는 (거의) 움직이는 부분이 없습니다. 운 좋게도 RLG는 일반적으로 오후 5시 정도에 매우 우수한 스케일 팩터 정확도를 가지고 있으며 회전 속도에 관계없이 동일한(매우 낮은) 전력을 소모한다는 것이 밝혀졌습니다.
RLG 가 I.N. systems에서 대규모로 사용될 수 있도록 성숙도, 경제성, 생산성을 달성하는 데는 약 18년(60년대 중반부터 1980년대 초반까지)이 걸렸다. 그때까지, 컴퓨터 기술의 '처리 능력' 제한은 (늘 그렇듯이) 순전히 시간의 경과로 없어졌다.
흥미롭게도 RLG 의 '신뢰성' 이점은 오류로 판명되었습니다. 오늘날 좋은 회전 바퀴 자이로는 항공기 환경에서 수만 시간의 평균 고장 간격(mean time between failures; MTBF)이 있으며 수명을 제한하는 마모 메커니즘이 거의 없습니다. RLG는 이러한 두 가지 측면에서 명백하게 더 우수하지 않습니다. I.N. 시스템m의 MTBF를 지배하는 관련 전자 장치의 신뢰성이 중요한 경향이 있습니다. 현대식의 스트랩다운 RLG I.N.의 MTBF는 5000-10000시간입니다. 가장 최근에 디자인된 gimballed I.N.s (10-12년 전에 디자인됨)는 약 600시간의 MTBF를 가지며 전자 부품 수의 약 10배입니다.

※ Principles of the RLG

RLG에 대한 모든 논의에는 작동 방식에 대한 간략한 소개가 포함되어야 합니다(아래 그림과 사진).


image.png


RLG - schematic


RLG.jpg


RLG

RLG 본체는 3개의 좁은 튜브가 뚫려 있는 단단한 유리 블록입니다. 각 모서리에 거울이 배치되어 삼각형 광학 공진기 경로를 형성합니다. 튜브는 저압에서 헬륨-네온 혼합물로 채워집니다. 음극과 양극 사이에 고전압(약 1kV)이 인가되어 방전(단순히 값비싼 네온 램프)이 발생합니다. 방전은 삼각형 공진기 경로 주위를 순환하는 광선과 함께 가스에서 재생 레이저 작용을 일으키기에 충분한 에너지를 제공합니다. 실제로 동일한 캐비티 내에 두 개의 레이저가 있습니다. 하나는 시계 방향(CW) 빔이고 다른 하나는 반시계 방향(CCW)입니다. 자이로가 정지 상태일 때 두 빔은 동일한 주파수(일반적으로 633나노미터의 파장)를 갖습니다.
이제 CW 방향으로 회전하는 블록을 고려하십시오. 왼쪽 하단 미러에서 시작하는 CW 빔의 광자는 공동을 한 번 횡단한 후 미러가 약간 더 멀리 이동했음을 찾습니다. 따라서 경로 길이가 약간 증가합니다. 유사하게, CCW 빔의 광자는 더 짧은 경로 길이를 찾습니다. 경로 길이의 차이는 주파수의 작은 차이를 유발합니다. 거울 중 하나를 부분적으로 투과하게 함으로써 두 빔의 샘플을 추출하고 주파수 차이를 측정할 수 있습니다. 이것은 적용된 회전 속도에 정확히 비례합니다.
매우 낮은 회전율에서는 합병증이 발생합니다.
거울은 완벽하지 않으며 두 빔 사이에 에너지를 결합하는 극소량의 후방 산란을 생성합니다. 두 개의 매우 높은 Q 발진기 사이의 이러한 에너지 결합으로 인해 주파수가 함께 잠길 수 있습니다. 이를 극복하기 위해 그림에 표시된 Dither motor는 전체 블록에 매우 작은 진동 회전(about 1 arc minute peak, at about 400 Hz)을 적용한다.

[Modern Inertial Navigation]
언급한 바와 같이, 고정밀 gimballed I.N.s 는 지난 10-12년 내에 설계된 경우가 거의 없습니다. 보잉 747로 비행하는 경우 여전히 gimballed, 회전식 자이로 I.N.s (그 중 3개)를 사용할 수 있지만 전 세계 민간 항공기에는 gimballed I.N.s 보다 RLG I.N.s 가 더 많습니다. .
유럽에서는 gimballed I.N.s 가 군용 항공기에서 여전히 RLG I.N.s 보다 훨씬 많지만 지난 몇 년 동안 모든 새 항공기와 개조품에서 RLG I.N.을 지정하는 경향이 있었습니다. 미국에서는 F-16, F-18 및 기타 여러 항공기 장비를 재장착하는 데 막대한 투자를 했기 때문에 숫자가 더 비슷할 것입니다.
현대식 스트랩다운 RLG I.N.의 크기는 약 7 x 7 x 11인치(178 x 178 x 279mm)이고 무게는 약 10kg이며 소비 전력은 약 50W입니다. 수십 파운드의 비용이 듭니다. 일반적으로 486 등을 포함하여 68040에 해당하는 프로세서를 포함하여 약 5개의 회로 기판이 포함되어 있습니다. 순수 관성 모드에서 r.m.s. 속도 정확도는 약 0.7m/sec이고 자세 정확도는 약 1밀리 라디안입니다.
크기, 비용, 무게는 최신 gimballed I.N.에 비해 약 2~3배 정도 향상되었으며 성능은 거의 동일합니다.
아래 그림은 관성 항법에서 최첨단 기술의 예인 마르코니 FIN 3110 I.N.을 보여줍니다.


Marconi_FIN3110_ring_laser_gyro_inertial_navigation_unit.jpg


Marconi FIN3110 ring laser gyro inertial navigation unit

아래 그림은 3개의 자이로와 3개의 가속도계로 구성된 계기판을 정밀 계측기의 수명을 어렵게 할 수 있는 진동, 충격, 열 과도 및 기타 환경적 특징의 영향을 완화하도록 설계된 기계 프레임에 장착한다.


FIN3110_instrument_cluster.jpg


Ring Laser Gyroscope cluster for Inertial Navigation(& Transportation) Systems

새로운 기능은 오늘날 많은 I.N.에 GPS(Global Positioning System) 수신기 모듈이 내장되어 있다는 것입니다. GPS 및 I.N. 오류 역학이 완전히 다르고 상관 관계가 없기 때문에 이상적인 시너지 파트너입니다.

다음은 주요 이점입니다.
→ GPS와의 통합은 스트랩다운 시스템에서 기기 오류 '교정' 문제를 해결합니다. 짐볼 시스템에서는 짐벌을 항공기에서 제거하지 않고도 다른 위치로 이동할 수 있으므로 지구의 회전 및 중력장이 각 자이로 및 가속도계를 보정할 수 있습니다. 이것은 스트랩다운 시스템으로 수행할 수 없습니다.
→ 마찬가지로, GPS는 '비행 중 정렬'의 수단을 제공하여, 항공기가 비행 전 유엔 '자이로 나침반'에서 최대 5분 동안 정지해 있어야 할 필요성을 제거한다.
→ I.N.은 전파 방해, 기동으로 인한 방해 등으로 인한 GPS '중단'에 대한 원활한 채우기를 제공합니다.
→ I.N.은 GPS의 잡음이 있는 속도 출력을 평활화하는 수단과 위치 및 속도의 지속적인 고대역폭 측정을 제공합니다.

[Technology Milestones]
관성 항법의 중요한 기술 '비약'을 되돌아보고 다음 이정표가 무엇인지 추측하기 위해 잠시 멈춰 볼만한 가치가 있습니다. Marconi의 Navigation Systems 그룹은 원래 (1989년까지) Ferranti Company의 일부였습니다. 이 회사는 20세기 초부터 자이로스코프 계기장비에 관여해 왔으며 따라서 '경기장 자리' 또는 중요한 개발에 직접 참여했습니다. 이 분야 전반에 걸쳐.
해양 자이로 컴퍼스는 19세기 말에 사용되었지만 단순히 자이로 보조 자기 나침반이었습니다. 20세기 초에 감쇠 슐러 루프의 도입으로 독립형 자이로컴퍼스가 가능해졌습니다.
1940년대에 독일은 미사일 유도에 필요한 수준까지 관성 장치 기술을 발전시켰습니다. 여전히 'Schulertuned' I.N.s 가 없었지만 원칙은 확립되었습니다.
RAE(Royal Aircraft Establishment)와 긴밀히 협력하여 당사의 자이로 개발은 RAE 과학자들이 얻은 최신 독일 장비에서 관찰된 기능을 일부 경우에 통합했습니다.
1950년대 초에는 MIT Instrumentation Lab에서 개발한 최초의 Schulertuned I.N.s 가 있었습니다. (나중에 C. S. 드레이퍼 연구소). 여기에는 약 0.01deg/hour의 드리프트 성능이 가능한 최초의 부동 비율 적분 자이로의 개발도 포함되었습니다. 1950년대 후반에 우리는 부유식 자이로와 통합 가속도계를 사용하여 영국의 Blue Streak 및 Blue Steel 미사일을 위한 관성 유도 시스템을 생산했습니다.
1960년대 중반에는 고성능 전투기에서 I.N.s 가 확산되었습니다. 또한 이때 동적으로 튜닝된 자이로(DTG)의 개발이 시작되었습니다. 부양유체나 정밀한 온도제어가 필요 없는 2축 자이로 구성입니다. 이러한 장점을 상쇄하는 몇 가지 단점이 있습니다. 많은 미국 회사가 DTG로 전환했지만 미국의 다른 회사(우리를 포함하여 영국)는 계속해서 부유식 자이로를 성공적으로 사용했습니다.
또한 1960년대 중반에는 미국의 여러 회사에서 고정밀 'Hemispherical Resonator' 진동 자이로(HRG) 및 RLG 에 대한 연구가 시작되었습니다. HRG는 수십 년의 개발에도 불구하고 몇 가지 특수 응용 프로그램을 제외하고는 시장에 본격적으로 진출한 적이 없습니다. RLG는 다른 문제입니다. (영국에서는 국방부가 후원하는 RLG 프로토타입이 1967년 판버러에서 우리 회사 등이 참여하여 제작되었습니다. 그러나 광고한 대로 작동한다는 것을 입증한 후 정부는 10년 동안 관심을 잃었습니다.)
1970년대에는 앞에서 설명한 것처럼 스트랩다운 회전바퀴 자이로 I.N.s 를 개발하려는 무익한 시도가 있었습니다. 그러나 I.N.회사와 정부 후원자는 그때까지 RLG의 잠재력을 깨달았고 이 기술에 막대한 투자가 이루어졌습니다. 보잉의 신형 757에 RLG I.N.S를 선택하면서 큰 돌파구가 생겼습니다. 마침내 스트랩다운 시스템이 실용화되었습니다. RLG 및 스트랩다운 시스템의 자체 개발은 1977년에 시작되어 앞서 설명한 FIN3110 시스템으로 정점에 달했습니다.
NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 자이로도 1970년대에 연구 대상이었습니다. 돌이켜 보면 이것은 실행 가능한 실제 적용이 없는 단순한 과학적 호기심으로 밝혀졌습니다.
보다 유망한 1970년대 개발은 광섬유 자이로(Fibre Optic Gyro)였습니다. 자체 공진하는 RLG와 달리 FOG는 간섭계 광학 장치로, 외부 광원이 광섬유 코일 주위에 두 반대 방향으로 간섭성 빛을 주입합니다. 스케일 팩터는 본질적으로 RLG만큼 정확하거나 안정적이지 않습니다.

1980년대는 'RLG의 10년'이었습니다. gimballed I.N.s 의 개발은 결국 스트랩다운 RLG 시스템의 개발로 대체되었습니다. 예를 들어 Ariane 위성 발사 로켓의 유도 시스템이 있습니다. 70년대 중반부터 우리는 Ariane을 위해 짐볼 플랫폼 시스템을 공급해 왔습니다. 70개 이상의 그러한 시스템이 출시되었으며 100% 성공했습니다. 그러나 1980년대에 이르러 RLG 스트랩다운 시스템을 사용하여 비용, 무게 및 전력 소비를 어느 정도 절감하면서 동일한 정확도와 신뢰성으로 안내 작업을 수행할 수 있다는 것이 분명해졌습니다. 우리는 이전 짐볼 시스템을 대체하기 위해 RLG 시스템을 개발하기로 계약했으며 이후 Ariane Mk 4 출시에서 동일한 성공을 거두었습니다.
GPS가 수평선에 어렴풋이 나타났습니다. I.N.을 대체할까요? 전부? 대답은 민항기 및 군용 항공 모두에서 무결성에 대한 '아니오' 고려 사항으로 밝혀졌으며, 이는 GPS가 후계자가 아니라 파트너가 됨을 의미합니다. 그러나 GPS는 확실히 I.N.을 대체했습니다. 관성 토지 측량과 같은 전문 시장에서.
FOG R&D는 1980년대까지 계속되었지만, 여전히 높은 정확도의 I.N. 에 필요한 성능을 달성할 수 있다는 징후는 없었다. 그러나 독립형 내비게이터가 아닌 주로 AHRS(Attitude/Heading Reference Systems)인 낮은 정확도 시스템에서 저성능 자이로를 대체할 가능성을 보여주었습니다.
RLG의 기계식 디더 모터는 '개선 기회'로 간주되었습니다. 대안 RLG 구성인 '다중 발진기'의 개발은 매력적인 가능성이었으며 1970년대 내내 여러 회사에서 추구했습니다. 다중 발진기는 광학 경로에서 비가역 요소를 사용하여 CW 및 CCW 빔의 주파수를 분리하여 기계적 디더링을 제거하는 RLG 유형입니다.
그것은 매우 어려운 것으로 판명되었고 1980년대 말까지 이러한 유형의 계기장비를 생산하는 데 성공한 회사는 단 한 곳뿐이었습니다.
멀티 오실레이터 기술의 장점은 그에 상응하는 어려움과 균형을 이루고 있으며 DTG 對 플로팅 자이로처럼 I.N. 기술의 발전에 대한 전반적인 영향은 그리 크지 않을 것이라고 생각합니다. 우리의 RLG는 견고하고 신뢰할 수 있는 기계적 dither를 계속 사용하고 있다.
1980년대 후반에 GPS가 작동하기 시작했습니다.
GPS에 힘입어 내비게이션 통합에 상당한 발전이 있었습니다.
냉전의 종식은 그때까지 기술 발전을 위한 최고의 '돈 없는 동인'이었던 전략적 미사일 유도의 추진력을 제거했습니다. 전략 미사일(및 이를 탑재한 잠수함)은 특정 매개변수에 대해 항공기 I.N. 구성 요소 - 그러나 그들은 가격의 약 10배를 감당할 수 있었습니다!
이제부터 I.N. 개발은 주로 민간 및 군용 항공기 항법의 요구와 군용 육상 차량 애플리케이션 시장의 성장에 의해 주도될 것입니다.
1990년대에는 지금까지 큰 변화가 없었습니다. '전형적인 RLG I.N. 위에서 설명한 'ENAC77/SNU84' 폼팩터(무게가 대략 22kg)에서 현재 'EGI'(약 10kg)로 줄어들었고, 현재 대부분의 군용 I.N.에는 GPS 수신기가 내장되어 있습니다.
일부 공급업체에서 달성 가능할 것이라고 예측하기 시작했지만 여전히 0.6 해리/시 FOG I.N.의 징후는 없습니다.

[Forecast for the Future]
적어도 향후 10년 동안은 주요한 진화 단계가 예측되진 않습니다만, 몇 가지 지속적인 개선이 가능할것입니다. 전자 장치(특히 처리 능력)는 전자 장치가 I.N.의 비용, 크기, 무게 및 전력에서 중요하지 않은 부분이 되는 단계로 발전할 것입니다. RLG는 계속 축소될 것이며(약간) 10년 후에는 0.6 해리/시 I.N. 200입방인치(3.3 x 10-2m®(현재의 500[8.2 x 10-3m3] 대신))를 차지할 것입니다. 비용도 2배 감소해야 합니다.
더 높은 성능을 향한 추진력은 없는 것 같습니다. 항공기 I.N.s가 거의 항상 GPS 또는 기타 소스와 통합된다는 점을 감안할 때 0.6 해리/시간은 모든 예측 가능한 항공기 애플리케이션에 적합합니다. 군용 육상 차량(성장하는 관성 항법 시장)에서 I.N. 일반적으로 주행 거리계와 통합됩니다. GPS와 마찬가지로 이 파트너십은 뛰어난 시너지 효과를 제공합니다.
우리는 이미 저성능 I.N. 또는 관성 감지 시스템의 확산이 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 만약 I.N. 는 주로 GPS 중단을 보완하는 역할을 하므로 많은 경우에 더 낮은 성능을 허용할 수 있습니다. 시스템은 0.002 ~ 0.01deg/hour가 아닌 0.1 ~ 1deg/hour에서 자이로를 사용할 수 있습니다. 이러한 이유로 FOG는 RLG보다 제조 비용이 저렴하여 자체적으로 제공됩니다.
군용 항공기의 전기 광학 및 레이더 센서는 센서에 대한 국부적인 자이로스코프 안정화가 필요합니다(항공기 굴곡, 최대 0.5도 이상). 저자는 1도/시간 FOG와 1mg 가속도계를 포함하고 서로 종속되고 '통합된 항법 계산'에 종속된 여러 개의 작고 저렴한 스트랩다운 클러스터에 의해 탐색(및 비행 제어 센서) 기능이 충족될 것으로 예상할 수 있습니다. 기체 주변에 분포한다. 여전히 높은 정확도의 I.N.이 필요할 수 있습니다. 항공기 어딘가에 GPS가 임무의 높은 비율을 위해 사용할 수 없을 것이라고 가정할 필요가 있지만 10년 이내에 고정밀 I.N.의 수가 새로운 애플리케이션을 위해 현재 수준의 약 절반으로 감소할 수 있습니다.
육상 차량 애플리케이션은 새로운 강조점을 제공하고 있습니다. 많은 군용 지상 차량에서 I.N. 주로 총이나 기타 무기의 정확한 포인팅을 제공하기 위한 것입니다. 정확한 탐색 제공은 단순히 추가된 보너스입니다. 그러나 자가용 및 상업용 차량의 자동 내비게이션 시스템 시장은 폭발적으로 증가하고 있습니다. 이러한 시스템은 주로 GPS, RF 비콘, 주행 거리계, 지도 상관 관계 또는 이들의 조합을 기본 센서로 사용합니다.
그러나 일부 그러한 시스템에는 회전하는 동안 더 높은 정확도를 제공하기 위해 자이로스코프가 포함되어 있으며 자이로스코프와 가속도계는 점점 더 많은 기능을 갖추기 시작했습니다. 이것이 '관성항법'인가? 아직은 아니지만 경제적으로 가능한 한 많은 다양한 소스에서 데이터를 가져와 가능한 한 최상의 방법으로 결합하는 현대 탐색의 주요 원칙을 보여줍니다. 사용된 조합 알고리즘은 관성 데이터를 무선 보조 장치, 항공 데이터 및 시각적 수정과 결합하는 데 사용되는 필터링 기술에 그 조상을 두고 있습니다.
따라서, 다음과 같은 최종 예측을 제시: 관성 항법(순수 독립형 기술)은 궁극적으로 사라질 수 있지만, 통합(멀티 소스) 항법 시스템은 계속 정교해지고 필수적인 요소로서 관성 데이터를 계속 요구할 것이다.
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