This paper covers nonlinear observer design to calibrate error factors of gyro such as bias, scale factor and misalignment. In attitude estimation, gyro should be corrected and Kalman Filter has been widely used in this problem, but it is sensitive to initial guess. Here, nonlinear observer is constructed to resolve the stability of estimation using Lyapunov theorem. Nonlinear Observer has the stability regardless of any initial guess, thus it can replace the filter or provide a stable initial guess for the filter. Also, the controller is integrated with the de-signed observer and the closed loop system for attitude of the spacecraft is finally completed. The estimation error by observer can affect the stability of the closed loop, thus the effects are analyzed mathematically. The Modified Rodrigues Parameter(MRP), which is recently interested because of its low nonlinearity and non-constrained property, is used for observer and controller design. MRP’s properties permit simplifying the design without any constraint. The designed observer and the closed loop system are simulated to verify the validation.
인공위성의 자세를 결정하는 문제에 있어, 각속도 센서인 자이로스코프를 보정하는 것은 매우 중요하다. 자이로스코프 출력에 영향을 미치는 오차 요소로는 바이어스와 스케일 팩터, 오정렬이 있으며, 이를 보정하면서 자세를 추정하는 가장 일반적인 방법은 칼만 필터를 이용하는 것이다.
본 논문에서는 자이로스코프 보정을 위해 비선형 관측기를 설계하는 내용을 연구하였다. 비선형 관측기는 칼만 필터와 달리 초기값에 상관없이 수렴성이 보장되어, 자세의 정밀성보다 안정성이 중요한 문제에 응용되어 사용할 수 있다. 여기서는 각 오차요소에 대해 비선형 관측기를 설계하였으며 리아푸노프 이론을 통해 안정성을 검증하였다. 또한 큰 초기 오차를 가정한 시뮬레이션을 통해 이를 입증하였다.
이 때 관측기를 설계하는데 필요한 자세표현으로는 쿼터니언보다 비선형성이 작고 제약조건이 없어 최근 자세제어에 많이 사용되는 MRP(Modifed Rodrigues Parameter)를 이용하였다. MRP는 360도의 각에서 특이점이 있는 문제가 있으나, 쉽게 회피할 수 있다. 제약조건이 없는 MRP의 특징은 관측기 설계를 간단하게 하고, 설계된 관측기는 근래에 연구되는 MRP 기반의 제어 시스템에 접목할 수 있다.
또한, MRP 기반의 제어기를 설계한 관측기와 통합하여 폐회로 시스템을 구성하였다. 이 때는 새로운 방법의 제어기를 제안하기 보다 비선형 관측기가 제어기의 성능과 폐회로 시스템에 어떤 영향을 미치는지 분석하였으며, 안정성을 점검하였다. 이 또한, 각각의 관측기에 대한 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하였다.
