관성항법장치(INS)의 초기 방위각 정렬 정확도는 전체 항법 성능에 매우 중요하다. 그러나 자이로 바이어스 잔여 오차로 인해 이 정확도가 크게 저하될 수 있다. 본 논문에서는 시스템 레벨 의 간접 교정 과정 후에도 남아있는 이러한 잔여 자이로 바이어스 오차를 추가로 보상하여 방위각 정렬 정확도를 향상시키는 방법을 제안한다. 제안된 접근법에서는 잔여 오차 교정을 여러 차례 반복 실행하여 잔여 자이로 바이어스 오차 데이터를 수집하고, 이를 특정 온도 구간별로 군집화한다. 이후 각 온도 클러스터에서의 보정을 수행한다. 궁극적인 방위각 정렬 정확도는 자이로의 잡음 특성(랜덤 워크 및 바이어스 안정도)과 고정 바이어스 오프셋에 의해 근본적으로 제한되므로, 고정 자이로 바이어스 보정을 개선하면 정렬 정확도가 직접적으로 향상될 수 있다. 제안된 기법의 효과를 검증하기 위해 상대각 제어 기능이 있는 단축 회전 테이블을 활용하여 초기 정렬 실험을 수행하였다. IMU를 동(E)축 자이로로 동쪽 방위각 정렬을 수행할 수 있 도록 하면서 방위각 정렬 과정을 반복 수행하였다. 실험 결과, 제안된 잔여 바이어스 보상 기법 적용 시 초기 방위각 정렬 정확도와 정밀도가 1σ 기준 0.5 mil 이내로 향상되었으며, 본 기법 의 고정밀 INS 응용에 대한 유용성을 입증하였다.

Enhancement of Initial Azimuth Alignment Accuracy through Compensation of Residual Gyroscopes Bias Errors

Haesung Yu*, Cheon Joong Kim, Gun-oo Jeong, Tae-Yoon Kwon

Inertial navigation system (INS) initial azimuth alignment accuracy is crucial for overall navigation performance, and it can be severely degraded by residual gyroscope bias errors. This paper proposes a method to enhance azimuth alignment accuracy by compensating these residual bias errors after system-level indirect calibration. The approach obtains the residual gyroscope bias through multiple repeated system-level indirect calibration trials, then groups these bias errors into clusters over specific temperature ranges. The average bias in each temperature cluster is used to build a linear bias compensation model across the full temperature range, providing additional gyroscope bias correction. Since the ultimate azimuth accuracy is fundamentally limited by the gyroscope’s noise characteristics (angle random walk and bias stability) and fixed bias offset, improving bias compensation directly enhances alignment precision. To validate the proposed technique, a series of initial alignment experiments were conducted on a one-axis rate table with precise relative angle control. The IMU was oriented such that its east-axis gyroscope was aligned with east-axis, and repeated azimuth alignment tests were performed. Experimental results show that with the proposed residual bias compensation, the initial azimuth alignment accuracy and precision was improved to within 0.5 mil (1σ), demonstrating the effectiveness of this approach for high-precision INS applications.

Keywords: system-level indirect calibration, initial azimuth alignment accuracy

Speaker 유해성* 국방과학연구소