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1. 항법 관련 용어 정리

1.1 관성센서, 관성 측정 장치 (Inertial Sensor, Inertial Measurement Unit, IMU)

움직이는 물체의 가속도, 속도, 방향, 거리 등 다양한 항법 관련 정보를 제공하는 부품으로, 가속도 센서 (Accelerometer, 가속도계)와 자이로 센서 (Gyroscope, 각속도계)로 분류되며, 기계식 방식 (Gimbal Gyro)과 레이저 (Ring Laser) 또는 광섬유 (Fiber Optic) 이용한 방식 (Strapdown Gryo)과, 그리고 최근에는 MEMS (Microelectromechanical Systems, 초소형 전자 정밀 기계)를 이용한 바 있다. 응용 분야는 자동차의 에어백, 캠코더, 핸드폰, 일반 가전 등의 움직임 센서 등을 비롯하여 비행기, 선박, 차량의 항법 및 제어 등 매우 광범위하게 사용되고 있다.

1.1.1 가속도계(Accelerometer)

어떤 운동체의 가속도를 재는 기구이다. 진자를 운동체에 매달아두면 운동체의 가속도의 영향을 받아 진자가 흔들리는데 이것이 가속도에 비례하는 성질을 이용한다. 가속도 센서는 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 감지하며 관성력, 전기변형, 자이로의 응용 원리를 이용한 것이다. 가속도 센서는 물체의운동상태를 순시적으로 감지할 수 있으므로, 자동차, 기차, 선박, 비행기 등 각종 수송수단, 공장자동화 및 로봇 등의 제어시스템에 있어서 필수적인 소자이며, 그 활용 분야는 대단히 넓다. 검출 방식으로 크게 분류하면, 관성식, 자이로식, 실리콘반도체식이 있다. 공업계측 분야에서는 기기의 진동 계측이나구조물의 진동계측 등에 사용되고 있다. 또, 항공기 관성 항공장치에서도 사용되고 있다. 종래에는 가속도 센서라고 하면 가격이 비싸다는 이미지가 강했지만 최근에는 저가격의 것도 시판되고 있다.

1.1.2 자이로스코프, 자이로(Gyroscope, Gyro)

세차운동을 이용한 개념으로, 중심축을 가지며 가장자리 쪽을 무겁게 한 금속제의 원판(팽이)의 무게중심을 고정하고, 중심축을 공간의 어느 방향으로도 자유롭게 행하고 회전할 수 있도록 한 장치를 자이로스코프라 한다. 일단 원판을 회전시키면, 장치를 조금 움직이더라도 그 중심축의 방향을 유지한 채로 자세를 바꾸지 않고 계속 회전한다. 자이로스코프는 나침반의 일종인 자이로컴퍼스, 우주선의 유도 시스템이라든가, 배나 비행기의 롤링을 막는 장치(Gyro Stabilizer, 자이로 안정화 장치) 등에 이용되고 있습니다.

자이로스코프는 물체의 회전을 측정하는 장치로서, 비행기의 관성 항법장치 등에 사용되는 중요한 센서이다. 자이로스코프에는 기계식 자이로스코프, 전자식 자이로스코프, 그리고 MEMS를 이용한 자이로스코프가 있다. 전자식 자이로중에는 링레이저 자이로와 (Ring Laser Gyro, RLG) 광섬유 자이로 (Fiber Optic Gyro, FOG)가 있다.

자이로스코프의 응용분야로는 비행기, 미사일, 우주선, 잠수함 등에 사용되는 항법장치, 카메라, 로봇, 무인 자동화 기기 등의 자세 제어, 그리고 자이로 콤파스 등으로 매우 넓다. 자이로스코프는 그 응용에 따라서 요구되는 정밀도와 안정도가 다르다. 자동차용 항법장치에 사용되는 광섬유 자이로스코프는 그다지 큰 정밀도나 안정도가 요구되지 않기 때문에 최근 들어 응용이 활발한 편이며, 상품이 이미 실용화되었다

또한 방위각을 측정할 수 있는 자이로 콤파스도 이미 상품으로 나오고 있으며, 잠수함이나 장거리 비행체 등에 사용할 높은 정밀도와 안정도를 갖는 광섬유 자이로스코프도 속속 개발되고 있다. 이렇게 정밀도가 높은 광섬유 자이로스코프로 만들기 위하여 광섬유 자이로스코프에 들어가는 여러 가지 광학 부품도 많이 연구되고 있으며, 위상차를 정밀하게 측정할 수 있는 신호처리 기법들도 연구되고 있다. 최근에는 MEMS를 이용한 MEMS 자이로스코프가 활발히 연구되고 있으며, 이에 대한 제품도 많이 출시 되고 있다. 머지 않아 전자식Gyro를 많이 대체할 것으로 예측된다.

1.1.3 자이로컴퍼스 (Gyrocompass, 전륜나침의)

자이로의 원리를 이용하여 진북방향(眞北方向)을 찾아내는 것을 자이로컴퍼스라고도 한다. 즉, 회전체의 회전 관성과 세차 운동의 원리를 이용하여, 그 축 방향이 지구 표면 상에서 항상 북쪽을 가리키도록 한 장치이다.

1.2 관성항법장치 (INS, Inertial Navigation System)

자이로만을 이용, 관성공간에 대해 일정한 자세를 유지하는 기준 (IMU)을 만들고, 그 위에 정밀한 가속도계 (Accelerometer)를 장치하여 정확한 독립적인 (Orthogonal) 3축 방향의 가속도를 2회 적분(積分)하면 이동 거리가 얻어지며, 따라서 현재의 위치를 계산 할 수 있다. 이 장치를 자동차, 항공기, 로보트 및 선박에 탑재하면 항법에 필요한 제반 데이터를 얻을 수 있다. Xsens사 MTi-G Sensor는 위성항법시스템 (GPS)이 통합된 자세 센서로서, GPS가 없는 경우에는 짧은 구간에서는 관성항법장치 (INS)로서 운용할 수 있다.

1.3 자세측정장치, 자세방위기준장치
(AHRS, Attitude Heading Reference System)

자이로와 가속도계 그리고 지자기 센서를 이용하여 항체의 Roll, Pitch, Yaw를 측정하는 장치이다. 단독항법이 가능한 고가의 자이로 센서 대신, 비교적 가격이 저렴한 자이로 센서를 이용, 이에 지자기센서로 자이로센서의 heading 값을 보정함으로 좀 더 정확도가 높은 output을 출력한다. Xsens사 MTi, MTx 센서는 자이로(각속도)센서, 지자기센서, 가속도계 및 온도센서 등으로 구성된 센서로 AHRS 제품이라고 볼 수 있다.

1.4 MEMS(Microelectromechanical Systems)

기계 부품, 센서, 액츄에이터, 전자 회로를 하나의 실리콘 기판 위에 집적화 한 장치를 가리킨다. 주로 반도체 집적회로 제작 기술을 이용해 제작되지만 반도체 집적회로에서 평면을 가공하는 프로세스로 제작할 때 입체 형상을 만들어야 하므로 반도체 집적회로의 제작에는 쓰이지 않는다. 에칭이라 불리는 제작 프로세스가 포함된다.