초음파 거리계를 이용한 무인잠수정의 수중 복합 항법시스템

Abstract

This paper presents a hybrid underwater navigation system for unmanned underwater vehicles, using an additional range sonar, where the navigation system is based on inertial and Doppler velocity sensors. Conventional underwater navigation systems are generally based on an inertial measurement unit (IMU) and a Doppler velocity log (DVL), accompanying a magnetic compass and a depth sensor. Although the conventional navigation systems update the bias errors of inertial sensors and the scale effects of DVL, the estimated position slowly drifts as time passes. This paper proposes a measurement model that uses the range sonar to improve the performance of the IMU-DVL navigation system, for extended operation of underwater vehicles. The proposed navigation model includes the bias errors of IMU, the scale effects of VL, and the bias error of the range sonar. An extended Kalman filter was adopted to propagate the error covariance, to update the measurement errors, and to correct the state equation, when the external measurements are available. To illustrate the effectiveness of the hybrid navigation system, simulations were conducted with the 6-d.o.f. equations of motion of an AUV in lawn-mowing survey mode.1. 서 론무인잠수정의 항법시스템에 있어서, 스트랩다운 관성항법 시스템은 소형의 관성센서(Inertial measurement unit, IMU)가 내압선체에 내장되어 외부의 도움 없이 자신의 위치를 알 수 있는 장점이 있다. 그러나 관성항법센서는 센서의 바이어스 오차로 인하여 시간이 경과됨에 따라 기하급수적으로 오차가 증가한다. 단시간의 운항에서 관성항법시스템은 정밀한 위치정보를 제공할 수 있지만, 항법정보를 계산하기 위해 적분 과정을 포함하므로 센서 측정 데이터에 포함된 오차가 시간에 따라 계속 항법 정보에 누적된다(Titterton and Weston, 1997). 이러한 관성항법시스템의 단점을 극복하고 성능을 향상시키기 위하여, 비관성 센서인 GPS, 심도계, 도플러 속도센서(Doppler velocity log, DVL), 경사계 또는 마그네틱 컴파스를 보조센서로 활용하는 보조항법시스템을 개발하는 것이 필요하다.