The purpose of this paper is to improve the accuracy of the strap-down inertial navigation system (SDINS) by utilizing the celestial information observed from a star sensor. First, precise attitude and position information calculated from the star sensor is used as a measurement of Extended Kalman Filter (EKF), and it makes possible to the overall navigation solution converged within a certain error bound. However, the loosely coupled form of integration algorithm has disadvantages of heavy computation or correlation in measurements because of the cascaded Kalman filter configuration even though it is conceptually simple to understand and robust to fault detection and isolation (FDI). Therefore, the tightly coupled form of integration algorithm is also designed to verify its effectiveness through simulation in this thesis. The proper measurement model based multiple star line of sight (LOS) vectors is induced for EKF. The determination of celestial horizon reference is performed by using the elevation and azimuth information of the observed star LOS. Finally, Matlab-based practical simulation tests are implemented to compare the two different inertial/star sensor integrated navigation architectures. The results are verified by a Monte Carlo analysis, and the performance and behavior of the each integration filter are investigated.
본 논문의 목적은 스트랩다운 관성항법시스템(SDINS, Strapdown Navigation System)의 항법해의 정확도를 별센서를 이용하여 개선하는 것이다. 따라서 SDINS/별센서/수평센서 보정항법 알고리즘을 설계하고 시뮬레이션을 통해 그 효용성을 검증하였다. 별센서로부터 계산된 정밀한 자세 및 위치오차 정보들은 확장 칼만필터(Extended Kalman Filter)의 측정치로 입력되어 SDINS의 항법 오차의 발산을 막아주며, 이를 통해 종합적인 항법해가 일정한 오차범위 내에 수렴하게 하는 것이 가능함을 확인하였다. 하지만 해당 결합은 여러 필터가 순차적으로 결합된 필터(Cascaded Kalman Filter)를 이용하므로 연산량이 많고, 측정치가 correlated 된다는 단점이 있다. 따라서 강결합 방식의 SDINS/천측항법 보정항법 알고리즘을 설계하고 시뮬레이션을 통해 그 효용성을 검증하였다. 관측된 별들의 고도 및 방위각정보를 이용하여 플랫폼 오차각(Platform Error Angle)를 추정하여 정밀 기준수평면(Celestial Horizon Reference) 결정을 수행하였으며 이를 통해 다중 시선벡터 기반 강결합 SDINS/별센서 복합항법 알고리즘을 구현하였다. 최종적으로 매틀랩(Matlab) 기반의 시뮬레이션을 수행함으로써 약결합/강결합 구조의 SDINS/별센서 보정항법 시스템을 검증하였다. 또한 각각의 결합필터의 성능 및 특징은 몬테카를로(Monte-Carlo) 시뮬레이션을 통해 비교 분석 하였다.
