본 논문에서는 관성센서와 자기센서를 활용하여 고속 회전체의 회전속도와 3차원 자세를 추정하는 시스템에 관한 연구를 수행한다. 일반적으로 물체의 각속도를 측정하기 위해서 각속도 측정센서인 자이로스코프를 사용한다. 하지만 대부분의 연구나 산업에서 쓰이는 자이로스코프는 측정 범위가 낮은 각속도 영역에 존재하여 고속으로 회전하는 물체의 각속도를 측정하는데 적합하지 않다. 따라서 최근까지의 연구에 따르면 태양 센서나 자기 센서 같이 고정된 벡터를 측정할 수 있는 센서를 탑재한 후 회전 시 얻게 되는 사인파의 주기성 해석을 기반으로 회전속도를 추정하는 기법들이 제안되었다. 하지만 주기성 해석을 위해서는 특정 시간 동안 모인 윈도우 데이터가 필요하며 이때 발생하는 자세-위상 왜곡(Attitude-Phase Distortion)은 필수적으로 고려하여야 한다. 이러한 왜곡을 고려하지 않으려면 회전체의 회전에 제약이 필요하기 때문에 자유로운 3차원 자세변화가 불가능하게 된다. 이전까지의 연구에서는 언급한 왜곡을 고려하지 않았기에 시뮬레이션이나 실험에 있어서 주 회전축으로만 회전하게 되는 1차원적인 자세변화만 수행하였다. 따라서 본 논문에서는 주기성 해석에서 발생하는 왜곡을 해석함과 동시에 이를 효과적으로 보상하여 3차원 자세변화에서도 물체의 회전속도를 정확히 추정할 수 있는 기법을 제안한다.
본 논문에서는 회전속도 뿐만 아니라 고속 회전체의 3차원 자세를 추정하는 기법도 연구하였다. 고속 회전으로 인하여 자이로스코프가 측정 범위 밖으로 벗어나면 대표적인 자세추정시스템인 ARS(Attitude Reference System)나 AHRS(Attitude and Heading Reference System)는 사용할 수 없다. 따라서 주 회전축을 고려하여 오일러 각 순서를 설계하였고 이에 따라 주 회전 축과 직교 축을 효과적으로 분리하였다. 따라서 직교 축과 관련 있는 상태변수만 고려하여 Reduced-state EKF(Extended Kalman Filter)를 제안하였다. 제안된 필터는 자이로스코프의 측정 범위를 고려하여 상황에 따라 Full-state EKF와 상호보완적으로 활용될 수 있음을 보였다.
마지막으로 본 논문은 새로운 자이로스코프 교정 기법을 제안하였는데 이는 위에서 언급한 주기성 해석에서 생기는 자세-위상 왜곡(Attitude-Phase Distortion)을 보상해서 얻은 회전속도인 Roll rate를 기반으로 한다. 자이로스코프의 스케일 팩터와 Roll rate 사이의 관측 모델을 유도하여 CEKF(Cascade Extended Kalman Filter)를 제안하였다. 제안된 CEKF는 주기성 해석에서 필연적으로 발생하는 시간지연현상을 고려하여 Causality가 보장되는 자세추정 결과를 얻을 수 있을 있게 하였을 뿐만 아니라 자이로스코프도 동시에 교정될 수 있도록 설계되었다.
제안된 모든 기법들을 검증하기 위해서 나선 궤적으로 비행하는 회전발사체 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 고속 회전환경을 구현한 Rate table 실험을 수행하였으며 이를 위해서 높은 주기로 센서데이터를 계측하기 위한 DSP 임베디드 모듈을 설계 및 제작하였다.