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유도, 항법 및 제어

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목차

1. 개요

유도, 항법 및 제어(GNC)는 항법, 유도, 제어의 세 가지 필수 요소로 구성되어, 현재 위치를 파악하고, 목표 정보를 활용하여 비행 경로를 설정하며, 공기역학적 또는 엔진 제어를 통해 비행을 수행하는 시스템이다. 항법은 위치를 결정하는 기술로, 고정된 기준점, 목표물과의 상대적 위치, 이동 추적 등을 통해 이루어진다. 유도는 차량의 "운전자" 역할을 하며, 항법 정보를 바탕으로 목표 지점을 향하도록 비행 제어를 수행한다. 제어는 비행 제어를 담당하며, 유도의 지시에 따라 공기역학적 또는 엔진 제어를 통해 비행을 제어한다. GNC 시스템은 자동 조종 장치, 무인 자동차, 유도 미사일 등 다양한 자율 및 반자율 시스템에 적용된다.

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유도, 항법 및 제어
개요
분야공학
하위 분야항공우주공학
기계공학
전기공학
제어공학
컴퓨터 과학
설명
정의시스템의 움직임을 제어하는 원리
응용 분야항공기
선박
우주선
미사일
무인 시스템
산업 자동화
로봇 공학
핵심 기술센서 기술
제어 이론
항법 시스템
유도 알고리즘
액추에이터
소프트웨어
역사
초기 개발자동 조타 장치
자이로스코프
관성 항법 시스템
현대적 발전아폴로 계획
GPS
디지털 제어 시스템
주요 구성 요소
센서자이로스코프
가속도계
GPS 수신기
기압계
각도 센서
제어기컴퓨터
마이크로컨트롤러
디지털 신호 처리기 (DSP)
액추에이터서보 모터
유압 액추에이터
공압 액추에이터
추진 장치
주요 기능
유도목표 지점까지의 경로 계획 및 추종
항법현재 위치 및 자세 추정
제어시스템의 안정성 유지 및 원하는 궤적 추종
관련 학문 분야
수학선형 대수학
미분 방정식
확률론
물리학역학
전자기학
공학제어공학
전기공학
기계공학
항공우주공학
컴퓨터 과학알고리즘
소프트웨어 공학
인공지능
관련 기술
센서 기술MEMS 센서
광섬유 자이로스코프
레이저 자이로스코프
제어 이론PID 제어
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GPS
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예측 수정 제어 (MPC)
소프트웨어실시간 운영 체제 (RTOS)
임베디드 시스템
모델 기반 개발 (MBD)
추가 정보
참고 서적Mohinder S. Grewal, Lawrence R. Weill, Angus P. Andrews, Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration, 2nd Edition, Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, USA, 2007
Jay A. Farrell, Aided Navigation: GPS with High Rate Sensors, The McGraw-Hill Companies, USA, 2008
C. S. Draper, W. Wrigley, G. Hoag, R. H. Battin, E. Miller, A. Koso, A. L. Hopkins, W. E. Vander Velde, Apollo Guidance and Navigation, Massachusetts Institute of Technology, Instrumentation Laboratory, Massachusetts, June 1965, url=http://www.ibiblio.org/apollo/hrst/archive/1713.pdf

2. 구성 요소

유도, 항법 및 제어 시스템은 다음과 같은 세 가지 필수 구성 요소로 이루어진다.


  • 항법: 현재 위치를 추적한다.
  • 유도: 항법 데이터와 목표 정보를 활용하여 비행 제어 시스템에 "어디로 갈지" 지시한다.
  • 제어: 유도 명령을 받아 공기역학적 및/또는 엔진 제어의 변화를 만든다.

2. 1. 항법 (Navigation)

유도, 항법 및 제어 시스템은 항법, 유도, 제어의 세 가지 필수 부분으로 구성된다. ''항법''은 현재 위치를 추적하고, ''유도''는 항법 데이터와 목표 정보를 활용하여 비행 제어에 "어디로 갈지" 지시하며, ''제어''는 유도 명령을 받아 공기역학적 및/또는 엔진 제어의 변화를 준다.

항법은 현재 위치를 결정하는 기술로, 1711년 경도상의 등장과 함께 크게 발전했다. 항법 보조 장치는 ''고정''된 기준점(예: 랜드마크, 북극성, LORAN 비콘)에서 위치를 측정하거나, 목표에 대한 ''상대적'' 위치(예: 레이더, 적외선)를 측정하거나, 알려진 위치/시작점으로부터 ''이동''을 추적한다(예: IMU). 오늘날의 복잡한 시스템은 현재 위치를 결정하기 위해 여러 접근 방식을 사용한다. 예를 들어, 탄도 미사일 요격 미사일에 구현된 가장 진보된 항법 시스템은 RIM-161 Standard Missile 3으로, 부스터 단계에서 GPS, IMU 및 지상 세그먼트 데이터를 활용하고, 요격 목표 설정을 위해 상대 위치 데이터를 활용한다. 복잡한 시스템은 일반적으로 드리프트를 해결하고, 정확도를 향상시키며(예: 목표에 대한 상대적 정확도), 고립된 시스템 고장을 해결하기 위해 다중 중복성을 갖는다. 따라서 항법 시스템은 시스템 내부 및/또는 외부(예: 지상 기반 업데이트)의 여러 센서로부터 여러 입력을 받는다. 칼만 필터는 여러 센서에서 얻은 항법 데이터를 결합하여 현재 위치를 파악하는 가장 일반적인 방법이다.

2. 2. 유도 (Guidance)

유도, 항법 및 제어 시스템은 항법, 유도, 제어의 세 가지 필수 부분으로 구성된다. 항법은 현재 위치를 추적하고, 유도는 항법 데이터와 목표 정보를 활용하여 비행 제어에 "어디로 갈지" 지시하며, 제어는 유도 명령을 받아 공기역학적 및/또는 엔진 제어의 변화를 준다.

유도는 차량의 "운전자"이다. 항법 시스템에서 현재 위치 정보를, 목표 정보를 통해 차량이 목적지에 도달하도록(차량의 작동 제약 조건 내에서) 비행 제어 시스템에 신호를 보낸다. 유도 시스템의 "목표"는 하나 이상의 상태 벡터(위치 및 속도)이며 관성적이거나 상대적일 수 있다. 동력 비행 중 유도는 비행 제어를 위한 조향 방향을 지속적으로 계산한다. 예를 들어, 우주왕복선은 주 엔진 차단을 제어하기 위해 고도, 속도 벡터 및 감마를 목표로 한다. 대륙간 탄도 미사일도 마찬가지로 벡터를 목표로 한다.[1]

2. 3. 제어 (Control)

유도, 항법 및 제어 시스템은 미사일 유도와 정밀 유도 무기#유형에서 언급된 것처럼 세 가지 필수 부분으로 구성된다.

  • 항법: 현재 위치를 추적한다.
  • 유도: 항법 데이터와 목표 정보를 활용하여 비행 제어에 "어디로 갈지" 지시한다.
  • 제어: 유도 명령을 받아 공기역학적 또는 엔진 제어의 변화를 만든다.


제어는 공기역학적으로, 또는 엔진과 같은 동력 제어를 통해 비행을 제어한다. 유도는 비행 제어에 신호를 보내며, 디지털 자동 조종 장치(DAP)는 유도와 제어 사이의 인터페이스 역할을 한다. 유도와 DAP는 각 비행 제어에 대한 정확한 지침을 계산하며, DAP는 비행 제어 상태에 대한 피드백을 유도에 제공한다.

3. 응용 분야

GNC 시스템은 본질적으로 모든 자율 또는 반자율 시스템에서 발견된다. 여기에는 다음이 포함된다.



관련 예는 다음과 같다.

  • 천문 항법은 뱃사람들이 지상 측정을 사용하지 않고도 특징 없는 대양을 건너 육지에 도달할 수 있도록 고안된 위치 고정 기술이다. 천문 항법은 지평선과 공통 천체 사이의 각도 측정(시준)을 사용한다. 태양이 가장 자주 측정된다. 숙련된 항해사는 달, 행성 또는 항해 연감에 좌표가 기록된 57개의 항해 별 중 하나를 사용할 수 있다. 역사적인 도구로는 육분의, 시계 및 역서 데이터가 있다. 오늘날의 우주 왕복선과 대부분의 행성 간 우주선은 관성 항법 시스템을 보정하기 위해 광학 시스템을 사용한다. 승무원 광학 정렬 시준기(COAS),[4] 별 추적기.[5]
  • 관성 측정 장치(IMU)는 미사일과 항공기에서 현재 위치(항법) 및 방향을 유지하기 위한 주요 관성 시스템이다. 복잡한 짐벌 시스템 내에서 3차원 운동으로 자유롭게 회전할 수 있는 하나 이상의 회전식 자이로스코프가 있는 복잡한 기계이다. IMU는 발사 전에 "회전"되고 보정된다. 대부분의 복잡한 시스템 내에는 최소 3개의 개별 IMU가 있다. IMU는 상대 위치 외에도 모든 축에서 가속도를 측정할 수 있는 가속도계를 포함한다. 위치 데이터는 가속도 데이터와 결합되어 차량의 움직임을 "추적"하는 데 필요한 입력을 제공한다. IMU는 마찰과 정확도로 인해 "드리프트"하는 경향이 있다. 이 드리프트를 해결하기 위한 오류 수정은 지상 링크 원격 측정, GPS, 레이더, 광학 천문 항법 및 기타 항법 보조 장치를 통해 제공될 수 있다. 다른 (움직이는) 차량을 목표로 할 때는 상대적인 벡터가 가장 중요해진다. 이 상황에서는 ''표적에 대한'' 위치 업데이트를 제공하는 항법 보조 장치가 더 중요하다. 관성 항법 시스템은 현재 위치 외에도 일반적으로 향후 계산 주기를 위한 예측 위치를 추정한다.
  • 천체 관성 유도는 관성 유도와 천문 항법의 센서 융합/정보 융합이다.
  • 장거리 항법(LORAN): GPS의 전신이었으며 주로 상업 해상 운송에 사용되었다 (그리고 어느 정도는 여전히 사용되고 있다). 이 시스템은 알려진 송신기에 대한 방향 참조를 기반으로 선박의 위치를 ​​삼각 측량하여 작동한다.
  • 위치 정보 시스템(GPS): GPS는 발사 전에 잠수함 발사 탄도 미사일(SLBM)의 관성 항법 내에서 "드리프트"를 해결하기 위해 미 육군에서 설계되었다. GPS는 군용 및 상업용의 2가지 신호 유형을 전송한다. 군용 신호의 정확도는 기밀이지만 0.5m 미만으로 추정할 수 있다. GPS 시스템 공간 세그먼트는 고도 약 20200km의 중궤도에 있는 24~32개의 위성으로 구성된다. 위성은 6개의 특정 궤도에 있으며 거리 파생 및 위치 계산에 사용할 수 있는 매우 정확한 시간 및 위성 위치 정보를 전송한다.[6]
  • 레이더/적외선/레이저: 이 형태의 항법은 ''알려진 표적에 대한'' 유도 정보를 제공하며 민간(예: 랑데부) 및 군사적 적용이 모두 있다.
  • 능동 (자체 레이더를 사용하여 표적 조명)
  • 수동 (표적의 레이더 방사 감지)
  • 반능동 레이더 호밍
  • 적외선 호밍: 이 형태의 유도는 군용 탄약, 특히 공대공 미사일 및 지대공 미사일에 독점적으로 사용된다. 미사일의 탐색 헤드는 표적의 엔진에서 나오는 적외선 (열) 신호에 맞춰진다 (따라서 "열 추적 미사일"이라는 용어).
  • 자외선 호밍 (FIM-92 스팅어에 사용됨) - IR 호밍 시스템보다 대책에 더 저항력이 있음
  • 레이저 유도: 레이저 지정자 장치는 강조 표시된 표적에 대한 상대적 위치를 계산한다. 대부분은 레이저 유도 폭탄에 대한 기술의 군사적 사용에 익숙하다. 우주 왕복선 승무원은 휴대용 장치를 활용하여 랑데부 계획에 정보를 제공한다. 이 장치의 주요 제한 사항은 표적과 지정자 간에 가시선이 필요하다는 것이다.
  • 지형 윤곽 일치 (TERCOM). 지상 스캐닝 레이더를 사용하여 지형을 디지털 지도 데이터와 "일치"시켜 현재 위치를 ​​고정한다. 토마호크 (미사일 계열)와 같은 순항 미사일에 사용된다.

참조

[1] 서적 Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration https://archive.org/[...] Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc.
[2] 서적 Aided Navigation: GPS with High Rate Sensors https://archive.org/[...] The McGraw-Hill Companies
[3] 간행물 Apollo Guidance and Navigation http://www.ibiblio.o[...] Massachusetts Institute of Technology, Instrumentation Laboratory 1965-06
[4] 웹사이트 NASA.gov https://web.archive.[...]
[5] 웹사이트 NASA.gov https://web.archive.[...]
[6] 웹사이트 https://www.gps.gov/[...]


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