1. 관성 항법 장치(Inertial Navigation System)
머나먼 과거 LN3-2A 관성항법장치
요즘 나오는 VN-200 관성항법장치. 오른쪽은 크기 비교용 미국 25센트 동전.(우리나라 100원 동전과 거의 동일한 크기)
세이코 엡손도 만드는 관성항법장치.[1]
위성 항법이 나오기 전에 주로 사용되었다. 군사나 항공, 해운, 기타 위성항법이 어려운 분야에서는 현재도 여전히 많이 쓰고 있다. GPS가 군용으로 개발된 것임에도 오히려 군사분야에서는 GPS는 INS를 보정하기 위한 보조수단인 경우가 많다.[2] 다만 초기 정렬이 필요하다는 단점이 있다.
원리는 자이로스코프와 가속도계를 이용해 각가속도와 가속도를 구한 뒤, 적분기를 사용하여 속도를 구한다. 구한 속도를 적분하여 이동한 거리를 측정하여 출발점을 입력하면 자신의 위치와 자세를 알 수 있다. 링레이저 자이로스코프RLG의 경우에는 애당초 각속도 값만 나오므로 각도에 대해서는 한 번만 적분. 하지만 자이로스코프, 가속도계의 정밀도 등에 따라서 미세한 오차가 있고, 적분을 이용해 위치를 측정하기 때문에 이런 미세한 오차들이 시간이 갈 수록 점점 누적되어 나중에 가서는 큰 차이가 나게 된다.
때문에 초기에 INS를 사용하는 로켓이나 비행기들은 공산오차가 수km에 이르게 되고, 2차대전이 막 끝났을 60년대 무렵까지는 차라리 태양이나 별의 위치를 기반으로 하는 천측 항법(celestial navigation)에 더욱 기대었고[3], 항공기들은 라디오 콤파스를 통해 전파를 적극 이용하여 지도 위에 표기된 reference position을 참조하는 안전한 무선 항법이 보편화되었었다. 이후 지속된 전자공학 기술 발달에 동반되어 온, 최신의 navigation 등급 RLG & IFOG 제품들은(GNSS와 무관한) 자이로의 in-Run Bias stability 가 0.8 nmi/hour 에서 0.0035 deg/hr 를 상회하는 수준으로 세계 각국의 개발회사에서 상향 평준화가 이루어졌다. 노스롭 그루먼의 HRG 센서 기반 space 등급 제품의 자이로 콤파스는 < 0.0005 deg/hr 를 스펙표에 기입하고 고도의 안정성을 자랑한다. 美 GPS 와 접목된 하이브리드 항법장치들은 아주 오래전부터 CEP 약 10m를 보장한다.
자이로스코프의 발전 덕에 과거에는 큰 이삿짐 박스 만하던 것이 현재는 손바닥 위에 올려 놓을 정도로 작아졌다. 다만 정밀도가 높은 제품은 여전히 커다란 것들도 있다. 이에 대해서는 자이로스코프 문서 참조.
관성항법은 자신의 위치를 '출발점'을 기준으로 그곳에서 부터 어느 방향, 어느 거리에 있는지를 계산하는 방식이기 때문에 초기에 출발점 좌표를 정확히 아는 것이 매우 중요하다. 이 때문에 항공기들은 출발전 자이로스코프에 현재의 정확한 좌표를 입력해준다(보통 출발하는 공항의 좌표 정도는 알고 있으니까). 미사일 같은 것은 발사대(혹은 이를 발사하는 항공기나 함정)에 더 정밀한 자이로스코프나 GPS 수신장치가 달려 있어 정확한 좌표를 실시간으로 계산하다가 발사 직전에 미사일이 이들의 정보를 건네받는다.
또한 관성항법장치는 지구의 자전이나 중력 영향 등까지도 감안해야 하므로 이들을 감지하기 위한 초기정렬이 필요하다. 긴급히 발사되어야 하는 미사일 등에 사용되는 것은 급속정렬이 되거나, 몇 가지 꼼수를 이용하여 날아가면서 정렬하도록 되어 있다. 항공기나 선박등도 급속정렬 기능 등이 있긴 하지만 아무래도 느린 경우가 많다. 전투기들의 경우 정석대로 관성항법장치를 정렬하려면 몇 분 가량 걸린다. 평시 발진시에야 별 문제 없지만 긴급발진시엔 문제가 된다. 이를 위해 일단 평소 시간이 날 때 관성항법장치가 자신의 위치 등을 정확히 파악하게 한 뒤 다시 전원을 꺼두면, 다시 재가동할때 이전 저장된 위치, 중력 정보등을 이용하여 30여 초 만에 급속정렬이 되기도 한다. 혹은 아예 이륙후 자세와 속도를 바꾸지 않고(속도가 0인게 아니라 속도 변화를 주지 않는 것이다) 순항하면서 정렬하는 방법도 있다. 이것도 자이로스코프의 종류에 따라 다르며 최신 기술이 적용된 제품은 기동 시간이 1초 이내인 것도 있다.
다만 초기정열과는 별도로, 아무리 정밀한 INS라 하더라도 장시간 운용 시엔 오차가 누적되므로 중간에 오차를 보정해줄 여러가지 방법이 고안되기도 하였다. 순항미사일 및 일부 군용 항공기들의 경우에는 지형의 고도의 높낮이를 레이더 고도계로 읽어들여서 자신이 정말 예정된 코스에 있는지, 벗어났다면 얼마나 벗어났는지 등을 판단하는 지형대조항법(TERCOM)이 많이 쓰고 있다. 대표적인 미사일이 토마호크.
잠수함, 항공기나 장거리 ICBM, 순항 미사일에 쓰이는 INS는 이 오차값을 최소화한 물건들로, INS 하나만 해도 수 십억원에 달한다. 그나마 이런 초고정밀 INS는 대부분 금수품목에 포함되어 있다. 민간 우주로켓에도 INS가 쓰이기 때문에(하늘로 쐈지만 어쩌다 보니 땅으로 떨어졌습니다.의 궁극판이 ICBM인 만큼 사용하는 기술은 거기서 거기다.) 우주개발을 목표로 한다면 자체 개발이 필수적인 물건.
무기체계에는 V2에 처음 쓰인 것으로 알려져 있다.
INS는 군용으로 널리 쓰이는 편인데, GPS가 없던 시절에는 거의 이 INS만이 유일한 항법장치였다. 지형대조항법등의 항법은 전부 INS의 오차를 보조하는 보조적 수단으로서 개발된 것들. 사실 GPS가 널리 쓰이는 현재도 군용 무기는 대부분 INS가 메인이고 GPS는 보조하는 역할이다. 최근에 들어서야 자동차용 GPS내비가 먹통이 되거나 깊은 빌딩숲을 달릴때 보조하는 수단으로서 MEMS형 INS가 널리 쓰이고있다.
GPS는 항공기(미사일)의 위치는 알려주지만 자세는 알려주지 않는데다가, 신호가 연속적이지 않고 GPS 위성의 신호주기에 맞춰서 0.X초 단위로 끊기는 식이므로 항공기의 항법제어나 자세제어에 적합하지 않다. 특히 군용 항공기나 무기체계는 GPS가 재밍당할 상황도 고려해야 하므로 결국 GPS는 보조수단일 뿐이고, 어디까지나 INS가 메인인 셈이다. 이론적으로는 INS의 자이로스코프와 가속도계의 정보와, GPS의 신호를 어떤 식으로 결합하여 현재 위치와 자세를 파악할 것인가에 대하여 여러 방안이 나오고 있다.
다만 어쨌거나 GPS라는 마법과도 같이 값싸면서도 정밀한 위치 측정장치가 등장하면서 INS의 오차를 매우 손쉽게 보정할 수 있게 되었다. 그래서 JDAM처럼 저가형 관성측정장치 + GPS 수신장치를 이용한 저가형 유도무기가 많이 등장하였다. 물론 GPS 신호 중에서도 군용신호를 수신하는 GPS 장치는 미국의 허가가 있어야만 사용할 수 있다.
인공위성이나 로켓, 일부 고고도 비행 항공기나 우주 바깥으로 나갔다가 되돌아오는 ICBM 같은 것에서는 별을 이용한 스타센서를 이용해 관성항법장치의 오차를 주기적으로 보정하기도 한다. 사실 별만큼 관성좌표계에서 위치가 정확한 물건이 없어서리... 90년대만 해도 스타센서는 엄청 비싼 물건이었지만 요즘은 전자기기의 발달로 인해 점점 저렴해지는 추세에 있다. 큐브샛 같은 소형인공위성용으로도 개발 중. 알고 보면 인류가 배 타고 다닌 이래 별자리를 보고 길을 잡은 것의 연장선상에 있다.
잠수함 같은 경우는 물속에서 GPS 신호를 수신할 수 없으므로 주로 INS를 위치 확인에 사용하며, 가끔 떠오를 때 GPS로 INS를 보정하는 식으로 운용한다. 물론 GPS 없던 시절에는 그저 INS + 기타 보조수단으로만 관성항법을 해야 했다.
K-9 자주곡사포에도 매우 고가의 INS가 장비되어 있어서 포병 측지반의 수고를 많이 덜어주고 있다.
현재 민항기에도 IRS(Inertial Reference System)라는 이름으로 탑재되어 GPS와 함께 사용된다. 전 세대의 항법장비인 자이로스코프만의 장거리 비행은 믿을 수가 없는 지경이었다. 특히 대한항공 007편 격추 사건으로 인해 당시 미국의 레이건 대통령이 GPS의 민간 개방 명령을 내리는 계기가 되었다. 747-400의 IRS의 경우 3개의 IRS가 서로 보정하며 위치를 검출하게 되어 있다.
위 그림이 1970년대 민항기에 장착되었던 INS 항법장치의 콘솔이다. 현재는 이렇게 통과지점의 좌표를 직접 입력하는 형태 대신 FMC를 통하여 GPS에서 수신한 현재 좌표를 입력하여 IRS를 보정하고, 나머지는 항로 입력페이지에서 처리한다. 최근 민간항공기에도 GPS 모듈 2개 이상과 함께 IRS모듈도 2개 이상 동시에 장착되며, 항공기의 경우 여전히 IRS가 출력하는 좌표 정보를 우선 사용하며, GPS나 외부 전파 표지 등을 이용하여 주기적으로 IRS 오차를 보정하여 사용한다.
차량용 내비게이션에는 대부분 INS가 없이 GPS만 달려 있으나 일부 고급 모델에는 INS까지 달린 것도 있다. 터널처럼 GPS 수신이 어려운 곳을 지날 때에 한하여 쓰도록. 그리고 17년 현재 와서는 저가형을 제외한 거의 모든 차량용 내비게이션에 INS가 함께 적용된다. 순정 내비게이션의 경우 속도 센서와 INS, 지자기 센서 등 다양한 장비들을 연동하여 측정하게 된다. 아이나비는 X1 Plus 이후 모델부터 INS와 기압계를 내장하여 GPS가 수신되지 않는 상황에서는 이들을 바탕으로 현재 위치를 3차원적으로 인식하게 된다. 파인드라이브에는 Fine DR 3.0 외장 자율항법장치를 옵션 제품으로 제공하며 40만 원의 고가를 자랑하나 내부적으로 자이로센서와 가속도센서 지자기센서 및 추가적인 GPS 수신기를 떡칠해 만든 물건이며 주로 내비게이션 매립 시 GPS 수신 안정성 확보를 위해 사용한다. 이들 시스템을 사용할 경우 지하 주차장과 같은 건물 실내에서 차량의 이동을 추적해 실내 길안내를 이용할 수 있으며 주차 위치 통보 시스템과 같은 기능이 연동된다.
우주 항법에서도 필수적으로 사용된다. INS로 현재 자세, 가속도를 파악하여 위치를 추정해내며 스타트래커, GPS, 전파 측량을 보조적으로 이용하여 오차를 보정하게 된다. 예를 들어 아폴로 우주선은 3개의 RIG 자이로스코프[4]와 가속도계가 장착된 기계식 안정 플랫폼을 통하여 우주선의 자세와 위치를 추정해냈다.[5] 아무래도 달에서는 전파 측량법이 부정확하며 실시간으로 위치 측정이 필요했기 때문에 관성 항법이 필수적이었다. 주기적으로 오차를 보정하기 위해 별을 이용하고 가능할 경우 전파 측량을 통해 측정된 항법 데이터를 업링크하는 식으로 운용하였다. 우주왕복선 이후 현대의 우주선들은 광섬유 자이로스코프나 링 레이저 자이로스코프를 이용하며, 오차 보정도 스타트래커 센서를 통해서 자동으로 보정된다.
2. Immigration and Naturalization Service
미국의 출입국 및 국적 업무를 담당하던 기관, 국토안보부 산하의 미국 세관국경보호국이 생기면서 흡수통합되었다.3. Indian Navy Ship
인도 해군 함정의 약어. 인도 해군의 군함 앞에 붙는다.
[1]
이것은 MEMS 기반으로 정밀도에 한계가 있다. 작동 중에 대략 시간당 30도 전후의
각속도 오차가 발생하기 마련이다. 그렇기에 GPS와 결합해야만 신뢰도 있는 솔루션이 되는 법. 무인기 용도로는 매우 부정확할지라도
스마트폰 탑재용도론 쓸만하다.
[2]
GPS는 재밍에 취약하기 때문. 군용은 암호화를 하기 때문에 가짜 위치정보를 보내서 혼란시키는 것은 무리지만, 단순히 GPS 신호와 같은 주파수 대역에 노이즈를 뿜뿜 뿜어대는 것 만으로도 간단히 무력화시킬 수 있다.
[3]
이는 추측 항법 (Dead reckoning)에만 기대다가는 적진을 파고들다가 큰일날수도 있는 고속 정찰기
SR-71 블랙버드도 마찬가지이다. 장비명은 Nortronics NAS-14V2 astro-inertial navigation system
[4]
Rate Integrating Gyroscope, 일반적으로 각속도를 측정하는 자이로스코프와 다르게 각 변화량을 측정한다.
[5]
기계식 안정 플랫폼은 3축 짐벌에 장착되어 있었으며, 각 짐벌엔 서보 모터가 장착되어 RIG의 각 변화량을 0으로 유지하였다. 우주선의 회전은 안정 플랫폼을 기준으로 짐벌의 각도로 측정되었다.