유도탄과 같은 비행체의 구조적 진동과 관성측정기(IMU)가 장착된 패널의 진동은 관성항법시스템(INS)의 성능을 저하시킬 수 있는 요인이다. 이러한 진동은 가속도와 각속도 신호에 왜곡을 유발하여 항 법 오차를 초래할 수 있다. 본 논문에서는 비행체의 굽힘모드와 IMU 장착패널의 진동모드형상(vibration mode shape)을 기반으로 직교하는 두 축의 가속도와 각속도의 관계식을 유도하고 관성항법에 미치 는 영 향을 분석한다. 가속도 데이터는 시험비행에서 실측된 파워스펙트럼밀도(power spectral density, PSD)로부터 생성되며, 이를 통해 진동 환경을 모델링한다. 분석 결과, 진동모드형상에 의하여 가속도와 각 속도는 90도의 위상차가 발생하여 의사 스컬링(pseudo-sculling)를 일으키며, 이는 항법오차의 누적으로 이어질 수 있다. 시뮬레이션을 통해 항법오차의 크기를 정량적으로 평가하였으며 진동저감 설계 와 IMU 동특성 개선의 필요성을 강조한다.

Analysis of the Effect of Flight Vehicle Vibration Mode Shapes on Inertial Navigation

Soonkyu Jeong, Myeong-Jong Yu, Chang-Ky Sung, Byungsu Park, Hyungsub Lee, Keunuk Lee, Kyung Jun Han*

Structural vibrations of a flight vehicle such as missile and vibrations of the panel on which the inertial measurement unit (IMU) is mounted can degrade the performance of an inertial navigation system (INS). Such vibrations distort acceleration and angular velocity signals, potentially leading to navigation errors. In this paper, we present a relationship between acceleration and angular velocity along the orthogonal axes based on the bending modes of the flight vehicle and the vibration mode shapes of the IMU back panel, and we analyze the effects of them on inertial navigation. Acceleration data are generated from power spectral density (PSD) measured during flight tests to model the vibration environment. The analysis shows that due to the vibration mode shapes, acceleration and angular velocity exhibit a 90- degree phase difference, resulting in a pseudo-sculling that can accumulate into navigation errors. Through numerical simulations, the magnitude of navigation errors was quantitatively evaluated, highlighting the need for vibration mitigation design and improvements in the dynamic characteristics of the IMU.

Keywords: inertial navigation, vibration mode shape, pseudo-sculling

Speaker 정순규 국방과학연구소