KR101129255B1 - 자세 센서를 이용한 ｇｐｓ 안테나용 능동형 짐벌 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템은, GPS 안테나가 장착된 항공기의 자세 변화가 상기 GPS 안테나의 지향 방향에 미치는 영향을 최소화 하기 위한 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템에 있어서, 상기 GPS 안테나가 장착된 짐벌; 상기 항공기의 자세 정보를 센싱하는 자세 센서; 및 상기 자세 센서로부터 전달된 정보를 처리하여 상기 짐벌의 동작 방향을 판단하고 상기 판단 결과에 따른 제어 신호를 상기 짐벌로 전송하는 제어기를 포함한다.

Description

자세 센서를 이용한 ＧＰＳ 안테나용 능동형 짐벌{ACTIVE GIMBAL FOR GPS ANTENNA USING ATTITUDE SENSOR}

본 발명은 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무인기에 DGPS(Differential GPS)를 사용하여 정밀 항법을 수행할 때 문제가 되는 무인기의 자세 변화에 따른 GPS 위성의 변화를 해결하기 위하여 무인기의 자세와 무관하게 GPS 안테나를 동일한 자세로 유지시켜 주기 위해 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌에 관한 것이다.

본 발명은 항공기의 항법 분야에 적용되며 주로 무인 항공기의 정밀 항법 특히 자동 이착륙과 같이 정확한 고도 정확도를 요구하는 분야에 활용될 수 있다.

기존에는 주로 DGPS 기반으로 수 m 정도의 정확도를 이용했지만 본 발명을 이용할 경우 RTK 알고리즘을 보다 신뢰성 있게 활용할 수 있다.

DGPS는 위치를 정확히(수 cm 이내) 알고 있는 곳에 정밀한 시계와 수신기를 갖춘 기준국을 두고 GPS 위성의 신호를 받아 수신기로 계산한 위치값과 미리 알고 있는 자신의 위치를 비교하여 위치의 오차에 대한 보정값을 계산한다. 의사거리 혹은 좌표로 표현된 보정값에 대한 정보를 기준국 주위에서 움직이는 사용자에게 실시간 혹은 후처리로 넘겨주어 같은 위성의 신호를 수신하는 사용자가 이 값을 이용하여 보다 정확한 위치를 계산한다는 원리이다. 이 DGPS로 정확한 위치계산이 가능한 이유는 기준국의 정확한 위치계산뿐만 아니라 위성궤도오차, 위성시계오차, 전리층 시간지연, 대류층 시간지연, 그리도 C/A코드 이용에 최대 난관인 SA 등을 두 수신기간의 공통오차로 간주하여 이를 제거할 수 있기 때문이다. 그래서 GPS 이용에 회의적인 분야에서도 이 DGPS에 대해 많은 관심을 갖고 있다. 그러나, 실제의 경우 두 수신기간의 거리, 두 수신기간의 정보 전달속도, 계산에 쓰이는 알고리즘 및 하드웨어의 성능 요인들이 DGPS의 정확도에 커다란 영향을 미친다.

특히 두 수신기간의 거리가 문제시되는 것을 거리가 멀면 한 위성과 두 수신기 사이에 놓여 있는 전리층과 대류권의 성질이 다를 수 있으므로 이들에 의한 시간지연값이 두 수신기에 다르게 나타나기 때문이다. 그러므로 일반적으로 DGPS를 구성할 때 기준국과 사용자간의 거리가 100km를 넘지 않도록 기준국을 배열해야 한다. 한편, 특정한 목적의 측량과 같은 분야에서는 절대위치 관측보다는 두 점간의 상대위치 정보가 필요할 수도 있다. 이런 경우는 주변의 임의의 위치에 한 수신기를 놓아 기준국으로 하고 두 수신기간의 상대적 위치를 매우 정확히 관측할 수 있다.

현재 미국 해안경비대와 연방향공국을 비롯한 여러 단체를 중심으로 C/A코드 위치관측에 대한 정밀도를 높이기 위해 가장 활발하게 연구되고 있는 방법이 DGPS이다. 위성에서의 항법신호는 사용자의 수신기에 도달하면서 위성 시계와 수신기 시계의 불일치, 전리층이나 대류권에서 전파의 지연으로 생기는 시간차, 주파수 단절 등으로 인해 정확도가 떨어지게 된다.

현재 무상 제공되는 SPS(Standard Positioning Service)는 SA가 없는 상태에서 20~30m, SA가 작동중일 때에는 약 100m의 위치해석오차를 발생시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 정밀 GPS기법이 개발되었다. 이러한 DGPS기법을 사용하면 상대오차를 10m 이내로 줄일 수 있다. RTK DGPS인 경우 기준국의 보정값을 무선으로 이동국에 송신하여 의사거리를 보정한 후 위치를 계산한다. 후처리 방식에서는 양 국에서 수신한 자료를 컴퓨터에서 보정하여 위치를 해석한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 항공기의 자세 변화를 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌에서 보상함으로써 GPS 안테나의 수평각을 최대로 유지하게 하여 획득할 수 있는 GPS 위성의 변화를 최소화 하여 보다 안정적인 항법을 수행할 수 있도록 함에 있다.

상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템은, GPS 안테나가 장착된 항공기의 자세 변화가 상기 GPS 안테나의 지향 방향에 미치는 영향을 최소화 하기 위한 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템에 있어서, 상기 GPS 안테나가 장착된 짐벌; 상기 항공기의 자세 정보를 센싱하는 자세 센서; 및 상기 자세 센서로부터 전달된 정보를 처리하여 상기 짐벌의 동작 방향을 판단하고 상기 판단 결과에 따른 제어 신호를 상기 짐벌로 전송하는 제어기를 포함한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템에서 상기 짐벌은, 상기 GPS 안테나를 회전시키는 구동부; 및 상기 구동부를 지지하는 지지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템에서 상기 구동부는, 상기 GPS 안테나의 피칭에 대응하는 제1 구동부; 및 상기 GPS 안테나의 롤링에 대응하는 제2 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템에서 상기 제1 구동부는, 상기 지지부에 연결 설치된 고정 플레이트; 상기 고정 플레이트의 측면 외측에 설치된 제1 서보모터; 상기 고정 플레이트 및 제1 서보모터를 관통하여 연결하고 상기 제1 서보모터에 의해 회전하는 피치 회전축; 및 상기 피치 회전축에 연결 설치된 제1 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템에서 상기 제2 구동부는, 상기 GPS 안테나의 롤링 동작을 진행하며 상기 GPS 안테나를 지지하는 제2 플레이트; 상기 제1 플레이트의 측면 외측에 설치된 제2 서보모터; 및 상기 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 관통하여 연결하고 상기 제2 서보모터에 의해 회전하는 롤 회전축을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템에서 상기 제어기는 상기 제1 서보모터 및 제2 서보모터의 회전각을 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌에 따르면, 현재 국내?외에서 연구중인 무인기 자동 이착륙에 활용되어 보다 안정적인 RTK 알고리즘을 실현할 수 있도록 적용될 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 일반 항공기의 외부에 장착된 GPS 안테나에서 획득 가능한 위성들을 도시한 도면.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌을 이용한 경우를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에서 제안하는 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌에 대한 개념도.

본 발명은 항공기 특히 무인기의 자동 이착륙과 같은 신뢰성 있고 정확한 고도 정보를 필요로 하는 시스템에 보다 신뢰성 있게 RTK 알고리즘을 적용할 수 있도록 한다.

현재 항공기 자동 이착륙이나 정밀 항법을 위해서 많은 센서들이 사용되고 있다. 이 중에서 지구 궤도를 돌고 있는 GPS 위성을 이용한 항법은 매우 유용하다. 특히 기존의 싱글 GPS보다 더 높은 정확도를 보장하기 위해 사용되고 있는 DGPS의 경우 수 m의 정확도를 가지고 있다.

현재에는 GPS 위성에서 제공되는 두 개의 반송파 주파수를 이용하여 수 cm까지의 정확도를 가지는 RTK(Real Time Kinematics)를 측위 분야에 사용하고 있다. 이러한 RTK를 항공기에 적용할 때 가장 문제가 되는 것이 바로 항공기에 주로 고정 장착된 GPS 안테나가 획득할 수 있는 GPS 위성이 항공기의 자세각의 변화에 따라 변동하여 정확도가 확보되지 않는다는 점이다.

본 발명은 상술한 항공기의 자세 변화에 따른 GPS 안테나의 획득 GPS 위성수 변화를 감쇄하기 위하여 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌을 이용하여 항공기의 자세 변화가 GPS 안테나의 지향 방향에 영향을 최소화 하도록 하는 것이다.

본 발명은 GPS 안테나가 항공기 외부에 장착되어 있는 경우는 적용하는데 여러 문제점이 발생하지만 복합 소재로 제작된 항공기의 경우 GPS 위성 신호가 항공기의 동체를 투과할 수 있기 때문에 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌을 항공기의 동체 안 공간에 장착하여 활용할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1a 및 도 1b는 일반 항공기의 외부에 장착된 GPS 안테나에서 획득 가능한 위성들을 도시한 도면이다.

도 1a 및 도 1b의 1은 GPS 안테나를 장착한 항공기(1)이다. 도 1a 및 도 1b의 2는 항공기(1) 외부에 장착된 GPS 안테나(2)이다. 도 1a 및 도 1b의 4는 지구 궤도에 위치하고 있는 GPS 위성들(4)이다. 도 1a 및 도 1b의 3은 GPS 안테나(2)가 GPS 신호를 획득할 수 있는 최저각(3)을 나타낸다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 이 각(3)에 의해서 현재 GPS 위성 2, 3, 4, 5, 및 6이 획득된 상태이다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 항공기(1)가 상승하게 되어 피치각이 변화하게 되면 GPS 안테나(2)가 GPS 신호를 획득할 수 있는 최저각(3)이 변화하게 되어 이 경우 획득되는 위성은 GPS 위성 2, 3, 4, 및 5가 된다.

상술한 바와 같이 위성수가 변화할 경우 RTK 알고리즘에 변화가 발생하여 정확도가 바뀌는 문제가 발생한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌을 이용한 경우이다.

도 2a 및 도 2b의 6은 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌(6)에 장착된 GPS 안테나(6)이다. 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌(6)과 GPS 안테나(6)는 항공기(5)의 동체 안에 장착한다.

항공기(5)의 외부는 복합 소재로 가정한다. 도 2b에 도시된 바와 같이 항공기(5)가 상승하여 피치각이 바뀌어도 도 2a와 같이 GPS 안테나(6)가 GPS 신호를 획득할 수 있는 최저각(7)에 포함된 위성이 변화하지 않게 되어 보다 안정적으로 GPS 위성 신호를 획득할 수 있다.

본 발명의 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 자세 센서(9), 제어기(10), 및 짐벌(6)로 구성된다.

도 3은 본 발명에서 제안하는 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌에 대한 개념도이다.

도 3의 6은 2축(13 및 14)의 짐벌(6)이다. 각 축(13 및 14)은 각각의 서보모터(11 및 12)에 의해 회전하게 된다. 도 3의 9는 자세를 측정하는 자세 센서(9)이다. 도 3의 10은 자세 센서(9)로부터 전달된 정보를 이용하여 각각의 서보모터(11 및 12)를 제어하는 제어기(10)이다. 도 3의 11 및 12는 각 축(13 및 14)의 회전을 담당하는 서보모터들(11 및 12)이다. 도 3의 15는 자세 센서(9)와 제어기(10)간의 연결선(15)이다. 도 3의 16은 제어기(10)와 서보모터들(11 및 12)간의 연결선(16)이다.

자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌(6)의 동작 원리는 항공기(5)의 자세가 변하면서 이에 대한 정보를 자세 센서(9)에서 제공하게 된다. 이러한 경우 피치값 및 롤값에 자세 정보를 제어기(10)에 연결선(15)을 통해 제공한다. 제어기(10)는 자세 센서(9)로부터 전달된 자세 정보를 이용하여 서보모터들(11 및 12)의 회전각을 산출하게 된다. 이렇게 하여 항공기(5)가 상승할 경우 짐벌(6)을 회전하여 짐벌(6)에 장착된 GPS 안테나(6)는 수평을 유지하도록 한다.

이하에서는 짐벌(6)의 구조에 대해 더욱 상세하게 설명하겠다. 도 3에 도시된 바와 같이 짐벌(6)은 GPS 안테나(6)의 피칭을 위한 구성요소들과 GPS 안테나(6)의 롤링을 위한 구성요소들로 나뉠 수 있다.

GPS 안테나(6)의 피칭을 위한 구성요소들은 고정 플레이트(18), 제1 서보모터(11), 피치 회전축(13), 및 제1 플레이트(19)를 포함할 수 있다. 고정 플레이트(18)는 지지부(17)에 연결 설치된다. 제1 서보모터(11)는 고정 플레이트(18)의 측면 외측에 설치된다. 피치 회전축(13)은 고정 플레이트(18) 및 제1 서보모터(11)를 관통하여 연결하고 제1 서보모터(11)에 의해 회전한다. 제1 플레이트(19)는 피치 회전축(13)에 연결 설치된다.

GPS 안테나(6)의 롤링을 위한 구성요소들은 제2 플레이트(20), 제2 서보모터(12), 및 롤 회전축(14)을 포함할 수 있다. 제2 플레이트(20)는 GPS 안테나(5)의 롤링 동작을 진행하며 GPS 안테나(5)를 지지한다. 제2 서보모터(12)는 제1 플레이트(19)의 측면 외측에 설치된다. 롤 회전축(14)은 제1 플레이트(19) 및 제2 플레이트(20)를 관통하여 연결하고 제2 서보모터(12)에 의해 회전한다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 항공기의 자세 변화를 자세 센서를 이용한 GPS 안테나용 능동형 짐벌에서 보상함으로써 GPS 안테나의 수평각을 최대로 유지하게 하여 획득할 수 있는 GPS 위성의 변화를 최소화 하여 보다 안정적인 항법을 수행할 수 있도록 하는 효과를 얻을 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (6)

1. 무인 항공기 내부에 GPS 안테나가 장착된 무인 항공기의 자세 변화가 상기 GPS 안테나의 지향 방향에 미치는 영향을 최소화 하기 위한 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템에 있어서,
   상기 GPS 안테나가 장착되며, 상기 GPS 안테나를 회전시키는 구동부 및 상기 구동부를 지지하는 지지부를 포함하고, 상기 구동부는 상기 GPS 안테나의 피칭에 대응하는 제1 구동부 및 상기 GPS 안테나의 롤링에 대응하는 제2 구동부를 포함하여 구성되는 짐벌;
   상기 항공기의 자세 정보를 센싱하는 자세 센서; 및
   상기 자세 센서로부터 전달된 정보를 처리하여 상기 짐벌의 동작 방향을 판단하고 상기 판단 결과에 따른 제어 신호를 상기 짐벌로 전송하는 제어기
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 구동부는,
   상기 지지부에 연결 설치된 고정 플레이트;
   상기 고정 플레이트의 측면 외측에 설치된 제1 서보모터;
   상기 고정 플레이트 및 제1 서보모터를 관통하여 연결하고 상기 제1 서보모터에 의해 회전하는 피치 회전축; 및
   상기 피치 회전축에 연결 설치된 제1 플레이트
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제2 구동부는,
   상기 GPS 안테나의 롤링 동작을 진행하며 상기 GPS 안테나를 지지하는 제2 플레이트;
   상기 제1 플레이트의 측면 외측에 설치된 제2 서보모터; 및
   상기 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 관통하여 연결하고 상기 제2 서보모터에 의해 회전하는 롤 회전축
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제어기는 상기 제1 서보모터 및 제2 서보모터의 회전각을 산출하는 것을 특징으로 하는 GPS 안테나용 능동형 짐벌 시스템.

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