Magnetic Compass Compensation

관성 센서인 각속도계와 가속도계만을 사용해 구성하는 Pure Navigation System은 외부로부터 신호교란이나 신호감지를 피할 수 있고 날씨와 시간 등에 전혀 구애를 받지 않는다는 장점이 있다. 그러나 각속도와 가속도를 시간에 따라 적분하여 동체의 자세와 위치를 구하기 때문에 센서가 포함하고 있는 오차도 시간에 따라 누적된다는 단점이 있다. 따라서 일정 시간 간격으로 관성 항법 오차를 보정해주는 보조 항법 장치가 필요하다. 보조 항법으로 널리 사용되고 있는 GPS는 일정한 오차 범위에서의 위치 값을 제공하여 이 값과 순수항법으로 추정한 위치를 비교하여 최종 위치를 결정하는 방식으로 관성 항법의 오차를 보정한다. 반면에 Magnetic Compass Compensation은 지구의 자기장에서 측정한 절대 방위와 관성센서로 추정하고 있는 자세와 결합하여 동체의 자세 오차를 보정한다.

Magnetic Compass는 지구를 둘러싸고 있는 거대한 자기장으로부터 자화된 나침반의 방향을 측정하여 자북을 기준으로 절대 방위각을 제공한다. 따라서 시간에 따라 오차가 증가하지 않으며, 완만한 회전 인식이 가능하다는 장점이 있다. 반면 관성 센서인 각속도계는 시간에 따른 각속도를 측정하므로 빠른 회전 인식이 가능하며 초기 자세와 최종 자세의 상대적인 자세의 변화를 알 수 있다. Magnetic Compass의 단점으로는 주변 환경에 따라 자기장이 변하는 등 외란에 의한 영향을 크게 받는 것을 들 수 있으며, 관성 센서는 시간에 따라 오차가 누적되고 완만한 회전에 대해서는 인식이 어렵다. 이와 같이 Magnetic Compass가 가지는 장단점은 관성 센서의 장단점과 서로 보완할 수 있는 특성을 가지고 있으므로 관성 센서를 중심으로 구성하는 순수 항법에 대해 Magnetic Compass로 자세 오차를 보정하는 방식으로 사용된다.

Magnetic Compass로 지구의 자기장을 측정할 때 나침반이 가리키는 지자기북극과 지구북극과의 차이각인 편각(D), 지구상의 어느 점에서 지구자기장의 방향과 그곳의 수평면이 이루는 각인 복각(I), 지자기의 강하기인 전자력의 수평분력 또는 수평자력의 세가지를 주로 측정하게 된다. 순수 항법과 결합하기 위해서 주로 편각과 복각을 사용하며, GPS를 순수 항법과 결합할 때와 마찬가지로 필터를 이용하여 결합한다. 이 때 사용하는 필터에는 대표적으로 칼만필터, 확장 칼만 필터, 무향 칼만 필터 등이 있다.

위와 같이 Magnetic Compass와 가속도계는 센서 보정을 거쳐 항법 좌표계에 대한 동체의 좌표계의 회전량을 Euler Angle로 표시할 수 있게 되고, 동체 좌표계에서의 가속도값을 구할 수 있다. 이를 적분하면 동체 좌표계에서 속도, 다시 한번 적분하면 동체 좌표계에서의 위치를 구할 수 있다. 따라서 기존의 가속도계와 각속도계만을 이용하여 순수항법을 구현하는 것에 비하여 Magnetic Compass가 제공하는 절대 방위각으로 자세 오차의 발산을 줄일 수 있고, 동체의 자세 오차를 보정하여 정확한 항법 정보(위치, 속도, 자세)를 제공할 수 있다.