제6부 센서·임무 탑재체

6.2 짐벌·안정화·지향: 시선 안정화와 지향 오차

6.2.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

기체는 흔들린다. 바람에 자세가 몇 도씩 출렁이고, 로터는 초당 수십 번 골격을 두드린다. 그런데 카메라의 시선은 노출하는 몇 ms 동안 화소 하나 안에 머물러야 하고, 지상의 한 점을 몇 분이고 지향하고 있어야 한다. 이 일을 하는 장치가 짐벌(gimbal)이다. 이 장은 짐벌이 시선을 붙드는 원리와, 그래도 남는 흔들림과 지향 오차를 숫자로 계산한다.

배우는 것:

• 짐벌의 구조 — 2축과 3축, 축의 순서, 그리고 연직 아래를 볼 때 방위축이 감당할 수 없는 각속도를 요구받는 천저 특이점(짐벌 잠김의 한 형태).
• 시선 안정화의 원리 — 탑재부의 자이로가 잰 시선 각속도를 0으로 모는 되먹임 루프, 그 대역폭과 외란 억제의 주파수 특성.
• 진동 격리 — 방진 마운트의 전달률과 공진, 그리고 능동 루프와 수동 마운트가 주파수를 나눠 맡는 구조.
• 영상 번짐 — 노출 동안의 잔차 각속도와 진동이 화소 몇 개를 번지게 하는가. 협시야일수록 요구가 엄격해지는 이유.
• 지향 오차의 구성 — 기체 자세 추정·엔코더·보어사이트 정렬·열 변형·시각 동기가 시선의 방향을 얼마나 틀리게 하는가. 6.10의 위치 오차 예산이 이 값을 입력으로 사용한다.
• 전자식 안정화와 기계식의 교환 — 소형 기체에서 짐벌을 빼고 영상 처리로 흔들림을 지우는 선택의 득실.

선수 지식: 방진 마운트의 전달률과 앨리어싱(1.29.5), 캐스케이드 제어와 대역폭 분리(2.2.3), 자이로의 바이어스와 각도 랜덤 워크(4.3.4·4.3.7.1), 결합 항법의 자세 추정(4.4), 노출과 번짐의 교환(4.11.4.3), 탑재체의 SWaP 교환율(6.1.8). 주파수 응답의 데시벨 표기를 사용한다.

특히 중요한 독자: 엔지니어는 6.2.4~6.2.6과 6.2.10의 워크스루를 본다. 짐벌 사양서의 "안정도 µrad"가 어떤 조건에서의 값인지 묻게 된다. 사업·조달 담당자는 6.2.9의 전자식·기계식 비교와 6.2.7의 지향 오차 표를 본다. 지리 위치 정확도를 약속하는 제품이라면 그 값이 어디서 오는지 이 표로 따져 볼 수 있다. 인증 담당자는 6.2.13·6.2.14의 진동 시험과 전자기 적합성 연결을 본다.

기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월을 기준으로 하며 지식은 2026년 중반까지다. 이 장의 루프·마운트·진동·오차 값은 모두 일반적 모형과 교육용 가정이다. 실제 짐벌의 안정도·지향 정확도는 구조 공진, 마찰, 케이블, 열 환경에 따라 크게 달라지므로 시험으로 확인해야 한다. 제품 수치는 (공개 주장치), 확인하지 못한 것은 (확인 필요)로 적는다. 이 장의 지향 정확도는 측량·재난 보고·수색구조의 위치 결정을 위한 것이며 사격·유도와 연결하지 않는다.

6.2.2 개념·직관 — 시선을 붙드는 두 가지 일

짐벌은 두 가지 다른 일을 한다. 하나는 안정화다. 기체가 흔들려도 시선이 관성 공간에서 움직이지 않게 한다. 다른 하나는 지향이다. 시선을 원하는 곳으로 돌리고, 지금 어디를 보는지 안다. 둘은 오차의 종류가 다르다. 안정화의 실패는 번짐과 흔들림(지터)으로 영상의 질을 깎는다. 지향의 실패는 엉뚱한 곳의 좌표로 정보의 위치를 틀리게 한다. 사양서에서 "안정도 20 µrad"와 "지향 정확도 0.1°"는 서로 다른 질문의 답이다.

시선을 붙드는 일은 주파수로 나뉜다. 기체의 자세 운동은 수 Hz 아래에서 크고 느리며, 로터와 모터의 진동은 수십~수백 Hz에서 작고 빠르다(1.29.3). 느린 큰 운동은 자이로 되먹임 루프가 모터를 돌려 상쇄한다. 빠른 작은 진동은 루프가 따라가지 못하므로 방진 마운트가 기계적으로 걸러 낸다. 둘 사이의 틈이 이 장의 주인공이다.

세 축에서 요구가 다르다. 군용 드론의 감시정찰 짐벌은 수 km 밖을 좁은 시야로 본다. 화소 하나가 수십 µrad이므로 안정도도 그 수준이어야 하고, 오래 한 지점을 관측하며 그 좌표를 메타데이터로 보낸다(3.12.9·9.8). 민간 UAS는 넓은 시야의 카메라를 짧은 거리에서 사용한다. 매핑 카메라는 연직으로 고정해 번짐과 촬영 위치를 관리하고, 점검용 줌 카메라는 근접에서 협시야가 된다. 소형 쿼드는 짐벌의 무게가 체공을 크게 깎아(6.1.8) 전자식 안정화와 맞바꾼다. AAM의 감지 센서(레이더·카메라)는 대개 기체에 고정해 싣는다. 움직이는 부품이 인증 부담을 키우기 때문이다. 공공 임무 AAM(15.27)의 임무 센서만 짐벌을 사용한다.

6.2.3 짐벌의 구조 — 축의 수와 순서, 천저 특이점

짐벌은 프레임을 중첩해 끼운 구조다. 바깥 프레임이 기체에 붙고, 안쪽으로 갈수록 탑재부에 가깝다. 프레임마다 모터(대개 기어 없는 직접 구동 모터)와 각도 엔코더가 있고, 가장 안쪽 탑재부에 카메라와 자이로(또는 관성 측정 장치)가 있다.

천저 특이점(영문 문헌의 zenith singularity). 2축 방위·고각 짐벌이 연직 아래를 보면 방위축이 시선과 일치한다. 이 근처에서 시선을 조금 옆으로 돌리려면 방위축이 크게 돌아야 한다. 기체가 속도 $v$로 지상의 한 점 옆 $d$만큼 떨어진 곳을 지나가며 그 점을 계속 보면, 방위각이 바뀌는 최대 각속도는 다음과 같다(높이와 무관하다).

$$\dot\psi_{\max}=\frac{v}{d}$$

축의 순서도 설계 선택이다. 바깥 축은 안쪽 프레임 전체를 돌려야 하므로 관성이 크고 느리다. 그래서 큰 범위를 자주 도는 방위축을 바깥에 두고, 작은 범위를 빠르게 움직이는 축을 안쪽에 둔다. 방위축이 한 방향으로 끝없이 돌려면 전원과 영상 신호를 넘기는 슬립링이 필요하다. 슬립링이 없으면 케이블이 꼬이지 않게 방위 범위를 제한하고, 케이블의 뻣뻣함이 기체 운동을 탑재부로 전하는 외란이 된다(6.2.4).

방위축의 최대 각속도가 60 °/s인 짐벌(가정)이라면 옆 거리 13 m 안을 지나는 순간 추적을 놓친다. 이 구멍을 열쇠 구멍(keyhole)이라 부른다. 기계적인 짐벌 잠김(두 축이 정렬되어 자유도 하나를 잃는 현상)이 연직 시선에서 나타나는 모습이다. 대책은 셋이다. ① 롤축을 더한 3축으로 시선을 옆으로 비킨다. ② 방위축을 기울여 달아 특이점을 운용하지 않는 방향으로 옮긴다. ③ 경로를 계획해 관심 지점 바로 위를 지나지 않는다(16.3).

6.2.4 시선 안정화의 원리 — 자이로 되먹임 루프

결론부터: 안정화 루프는 탑재부의 자이로가 잰 관성 각속도를 0으로 만드는 토크를 모터에 건다. 루프의 교차 주파수 $f_c$보다 10배 느린 흔들림은 수백 분의 1로 줄지만, $f_c$ 근처의 흔들림은 오히려 커지고, 그보다 빠른 진동은 그대로 지나간다.

기체가 돌면 베어링 마찰·케이블의 뻣뻣함·모터의 역기전력·질량 불균형이 그 운동을 탑재부로 전달한다 간다. 이 결합으로 시선에 들어오는 각속도를 $\omega_d$라 하자. 루프가 닫히면 남는 각속도는 감도 함수 $S$를 곱한 값이다.

$$\omega_{\text{잔차}}(f)=\left|S(f)\right|\,\omega_d(f),\qquad S=\frac{1}{1+L},\qquad L(s)=K\,\frac{s+\omega_z}{s^{2}}\,e^{-s\tau}$$

1형 루프($L=\omega_c/s$)는 교차 아래에서 10배마다 20 dB를 줄이고, 적분을 더한 2형 루프는 40 dB를 줄인다. 계산 결과는 다음 그림과 같다.

읽을 것 셋. 첫째, 짐벌 루프는 기체의 자세 루프보다 훨씬 빨라야 한다. 2.2.3의 기준 쿼드는 각속도 루프의 교차가 24.9 rad/s(4 Hz)다. 기체의 자세 운동이 그 근처까지 있으므로 교차 5 Hz 짐벌은 4 Hz에서 오히려 흔들림을 키운다. 15 Hz면 4 Hz를 4분의 1로 줄인다. 둘째, 대역폭은 지연이 산다. 위상 여유를 확보하려면 교차 15 Hz에 등가 지연 5.7 ms, 60 Hz에 1.4 ms가 한계다. 자이로의 저역 필터와 연산 주기가 이 예산을 차지한다. 셋째, 루프를 빠르게 할수록 1P 근처를 키운다. 교차 60 Hz 루프는 1P(107.2 Hz, 1.7.7.1 표의 기준 로터 6,432 rpm) 진동을 +4.9 dB 증폭한다. 루프로 고주파 진동까지 잡으려 하면 안 된다는 뜻이다.

앞먹임은 루프가 못 하는 대역을 조금 넓힌다. 기체의 관성 측정 장치가 잰 기체 각속도에 결합 경로의 모형을 곱해 그만큼의 토크를 미리 빼 주면, 모형이 맞는 만큼 외란이 루프에 들어오기 전에 줄어든다. 결합 모형의 오차가 10 %라면 외란은 주파수와 무관하게 약 10분의 1이 된 뒤 루프를 만난다(이상화한 계산). 다만 마찰·케이블의 결합은 비선형이고 온도에 따라 바뀌어 모형이 잘 맞지 않는다. 앞먹임은 루프를 대신하지 못하고 거든다.

자이로의 잡음과 바이어스가 안정화의 하한이다. 루프는 자이로 출력을 0으로 만들 뿐이어서, 자이로가 틀린 만큼 시선이 움직인다. 각도 랜덤 워크 $N$이면 시간 $t$ 동안의 각 흔들림은 $N\sqrt{t}$, 바이어스 $\varepsilon$이면 시선이 $\varepsilon$의 속도로 흘러간다(4.3.7.1의 등급).

노출 한 번(10 ms)의 흔들림은 어느 등급이든 화소보다 훨씬 작다. 문제는 흐름이다. 소비자 MEMS의 48.5 µrad/s는 광각 4K(IFOV 344 µrad)에서 7초에 한 화소지만, 10배 줌(34.4 µrad)에서는 초당 1.4화소다. 영상 추적기가 없으면 협시야 시선이 몇 초 만에 목표에서 벗어난다. 장거리 협시야 짐벌이 FOG급 자이로를 사용하는 이유다.

6.2.5 진동 격리 — 방진 마운트의 전달률과 공진

방진 마운트는 1.29.5가 IMU에 사용한 것과 같은 식을 따른다. 기체 쪽 진동 대비 짐벌 쪽 진동의 비, 곧 전달률은 다음이다.

$$T=\sqrt{\frac{1+(2\zeta r)^{2}}{(1-r^{2})^{2}+(2\zeta r)^{2}}},\qquad r=\frac{f}{f_n}$$

마운트는 루프가 못 하는 일을 한다. 고유진동수의 $\sqrt2$배보다 빠른 진동만 줄이므로 저주파 자세 운동은 그대로 지나간다. 그 대역은 루프가 맡는다. 두 장치의 분업에서 세 가지 교환이 나온다.

1. 고유진동수를 낮추면 격리가 좋아지지만 처진다. 정적 처짐은 $\delta=g/(2\pi f_n)^2$이다. 30 Hz면 0.28 mm, 10 Hz면 2.5 mm, 5 Hz면 9.9 mm다. 말랑한 마운트는 기동·착륙 때 크게 흔들려 짐벌이 기체에 부딪히거나, 기체에 대한 탑재부의 자세가 바뀌어 지향 오차가 된다(6.2.7).
2. 감쇠를 키우면 공진은 낮아지지만 격리가 나빠진다. 감쇠비 0.05는 1P를 0.09로 줄이지만 30 Hz에서 10배로 키운다. 30 Hz 근처에 가진원이 있으면 위험하다(1.29.6의 캠벨 선도로 확인).
3. 마운트 공진이 루프 교차와 중첩되면 안 된다. 마운트가 흔들리는 주파수에서 루프가 위상을 잃어 불안정해질 수 있다. 마운트의 고유진동수를 루프 교차보다 충분히 위에, 가진 주파수보다 충분히 아래에 두는 것이 원칙이다. 소형 쿼드는 그 창이 좁다. 루프 15 Hz와 1P 107.2 Hz 사이에서 30 Hz 근처가 남는다.

실제 마운트는 병진과 회전의 여러 모드를 가진다. 고무 댐퍼 네 개로 받친 짐벌은 위아래·앞뒤·좌우와 세 회전의 여섯 모드가 서로 다른 주파수에 있고, 무게중심이 댐퍼 평면에서 멀면 병진 진동이 회전으로 바뀐다. 시선에는 회전이 문제이므로 댐퍼 배치를 탑재부의 무게중심에 맞추는 것이 고유진동수 선택만큼 중요하다 (일반 설계 원리).

6.2.6 영상 번짐 — 노출 동안 시선이 움직인 화소 수

결론부터: 번짐은 노출 시간 동안 시선이 움직인 각을 IFOV로 나눈 값이다. 느린 흔들림은 각속도 × 노출로, 빠른 진동은 진동 진폭으로 번짐을 만든다. 같은 흔들림이라도 시야가 좁을수록 화소가 작아 번짐이 커진다.

$$n_{\text{번짐}}=\frac{\omega_{\text{잔차}}\,t}{\mathrm{IFOV}}\ \ (\text{느린 흔들림}),\qquad n_{\text{번짐}}\le\frac{2A\sin(\pi f t)}{\mathrm{IFOV}}\ \ (\text{진폭 }A\text{, 주파수 }f\text{의 진동, }ft<0.5)$$

진동 주기의 절반보다 노출이 길면($ft\ge0.5$) 번짐은 진동의 양진폭 $2A$에 이른다. 잔차 각속도와 노출에 따른 번짐 화소 수는 다음과 같다. 광각 4K는 6.1.5.1의 소형 짐벌 카메라(IFOV 0.344 mrad), 줌은 그 10배, 열영상은 4.11의 기준(1.36 mrad)이다.

번짐을 0.5화소 안에 두려면(경험적 문턱, 가정) 잔차 각속도가 $0.5\,\mathrm{IFOV}/t$보다 작아야 한다. 광각 4K를 1/30 s로 찍으면 0.3 °/s, 10배 줌이면 0.03 °/s다. 어두울수록 노출이 길어지고(4.11.4.3), 노출이 길어질수록 안정화 요구가 같은 비율로 엄격해진다. 열영상은 화소가 커서 번짐에 너그럽지만, 비냉각 검출기는 노출 대신 열 시정수(수 ms~십수 ms (경험 범위))가 같은 역할을 한다(6.4).

번짐에는 짐벌이 지우지 못하는 성분이 둘 있다. 하나는 전진 운동이다. 연직 촬영에서 땅이 화면을 $v/h$로 흐르는 것은 시선의 회전이 아니라 기체의 병진이어서, 안정화 루프는 이를 모른다(4.11.4.3). 고급 매핑 장비는 노출 동안 시선을 기체 진행 방향으로 돌려 이를 지우는 전진 운동 보상을 사용한다. 다른 하나는 롤링 셔터다. 화면을 위에서 아래로 차례로 읽는 센서는 읽는 동안(수~수십 ms (경험 범위)) 생긴 진동을 화면의 일렁임으로 남긴다. 1.29.5의 "젤리처럼 일렁인다"가 그 증상이다. 셔터 방식은 6.3이 다룬다.

6.2.7 지향 오차의 구성 — 시선은 어디를 향하는가

결론부터: 시선의 방향은 기체 자세 × 짐벌 장착 × 짐벌 각의 사슬로 계산한다. 소형 기체에서는 기체 방위(요) 추정 오차가 압도적으로 크고, 다음이 보어사이트 정렬과 시각 동기다. 엔코더와 지터는 대개 작다.

시선 벡터를 지구 고정 좌표로 나타내면 회전 행렬의 곱이다(좌표계는 4.1.3.1).

$$\mathbf{u}^{n}=C_b^{n}(\phi,\theta,\psi)\;C_g^{b}(\text{장착 정렬})\;C_s^{g}(\alpha_{az},\alpha_{el},\alpha_{r})\;\mathbf{u}^{s}$$

$C_b^{n}$은 기체 자세(항법 해), $C_g^{b}$는 짐벌이 기체에 붙은 방향(보어사이트), $C_s^{g}$는 엔코더가 읽은 짐벌 각, $\mathbf{u}^{s}$는 센서 좌표의 시선이다. 각 행렬의 오차가 시선의 각 오차로 더해진다. 작은 각에서 독립인 오차는 제곱합으로 합친다. 두 등급의 교육용 예산은 다음과 같다(1σ).

읽을 것 셋. 첫째, 소형 기체의 지향 오차는 방위가 정한다. 방위 항을 빼면 합성이 19.0 mrad에서 7.5 mrad로 준다. 등속 비행·호버에서는 방위가 관측되지 않아(4.4.3.3) 자력계에 기대는데, 자력계는 모터 전류와 철 구조물에 흔들린다. 이중 안테나 GNSS 방위나 기동을 통한 정렬이 가장 값싼 개선이다. 둘째, 보어사이트는 한 번 재면 줄어든다. 지상 기준점을 찍어 장착 오차를 추정하는 교정은 측량 장비의 기본 절차다(6.10). 셋째, 시각 동기는 시선이 움직일 때만 드러난다. 정지한 시선에서는 0이다가 짐벌이 10 °/s로 돌 때 20 ms 어긋나면 0.2°가 된다. 그래서 영상 프레임과 자세·짐벌 각 메타데이터는 같은 시각 기준으로 찍어야 한다(3.12.9·9.8).

지향 모드도 오차의 모양을 바꾼다. 짐벌은 대개 세 모드를 가진다.

영상 추적은 화면을 안정시키지만 좌표의 정확도를 높이지 않는다. 추적기는 시선을 목표에 붙들 뿐이고, 그 시선이 지구에서 어디인지는 여전히 위 예산의 사슬로 계산한다. 보고하는 좌표가 맞는지는 지향 정확도의 문제다.

보어사이트 교정은 측량에서 사용하는 절차가 기본이다. ① 좌표를 아는 지상 기준점 여러 개를 서로 다른 방향과 짐벌 각에서 찍는다. ② 각 영상에서 기준점의 화소 위치와, 항법 해·엔코더로 계산한 예상 위치의 차이를 모은다. ③ 차이를 가장 잘 설명하는 장착 회전(세 각)과 엔코더 영점을 최소제곱으로 추정한다. 이 절차는 정렬 오차를 0.3°에서 0.02°급으로 줄이는 대신, 짐벌을 떼었다 다시 달면 다시 해야 한다 (일반 절차, 정확도는 장비별 확인 필요).

이 예산은 각도까지다. 시선 각 오차를 지상 좌표의 오차로 바꾸면 경사 시선에서 크게 늘어나고, GNSS 위치·지형 높이 오차가 더해진다. 그 계산은 6.10이 이 표의 값을 입력으로 받아 이어 간다.

6.2.8 짐벌의 무게와 전력

짐벌의 질량은 탑재부 + 프레임 + 모터 + 방진 + 하우징이다. 모터 토크는 탑재부를 가속하는 관성 항과, 무게중심이 축에서 벗어난 만큼의 불균형 항으로 정한다.

$$\tau_{\text{모터}}=J\,\ddot\alpha+m\,g\,e+\tau_{\text{마찰}}+\tau_{\text{바람}}$$

불균형 $e$를 줄이면 모터를 줄일 수 있어서 짐벌은 탑재부의 무게중심을 축 교점에 맞추도록 설계한다. 바깥으로 나온 짐벌은 바람 토크를 받으므로 고정익·결합형의 순항에서는 돔을 씌운다. 대표 등급은 다음과 같다 (경험 범위, 제품마다 크게 다름 — 24.13·24.32).

6.1.8의 교환율을 사용하면 짐벌의 값이 보인다. 2 kg 쿼드에 0.15 kg·4 W 짐벌을 탑재하면 체공이 11 % 준다. 같은 카메라를 고정 장착하고 전자식 안정화로 0.05 kg·2 W(영상 처리 포함, 가정)만 사용하면 4 %다. 짐벌 하나가 체공 7 %포인트의 값이다.

6.2.9 전자식 안정화(EIS)와 기계식의 교환

전자식 영상 안정화(EIS, electronic image stabilization)는 센서보다 조금 좁은 영역을 잘라 내고, 자이로나 영상 분석으로 구한 흔들림만큼 그 창을 반대로 옮긴다. 광학식(OIS)은 렌즈나 센서를 작은 작동기로 움직인다.

전자식은 노출 중의 번짐을 지우지 못한다. 프레임과 프레임 사이의 흔들림만 옮겨 보정하므로, 6.2.6의 표에서 번짐이 1화소를 넘는 조합(긴 노출·협시야)은 그대로 흐리다. 그래서 전자식은 밝은 낮의 짧은 노출과 넓은 시야에 맞고, 야간·줌에는 맞지 않는다. 롤링 셔터의 일렁임은 자이로 기록으로 줄 단위 보정을 할 수 있다 (일반 원리, 제품별 확인 필요). 혼합 구성도 흔하다. 기계식 2축이 큰 운동과 시선 방향을 맡고 전자식이 롤과 남은 흔들림을 지운다.

6.2.10 수치 예시·워크스루 — 2 kg 쿼드의 3축 짐벌로 번짐을 예산한다

가상 구성이다. 기체의 흔들림을 두 성분으로 두고, 각 성분이 마운트와 루프를 지나 노출 동안 얼마나 번지는지 계산한다(fig-src/6.2-model.py).

읽을 것 넷. 첫째, 광각 카메라는 루프 15 Hz와 방진 마운트로 충분하다(0.27화소). 방진을 빼면 1P 진동만으로 1.8화소가 번진다. 소형 짐벌의 고무 댐퍼가 하는 일이 이것이다. 둘째, 10배 줌은 같은 짐벌로 안 된다(2.7화소). 번짐의 대부분이 1P 진동이다. 마운트의 고유진동수를 15 Hz로 낮추면 1P 전달률이 0.060이 되어 1.09화소, 여기에 노출을 1/1000 s로 줄이면 0.37화소로 내려온다. 셋째, 루프를 40 Hz로 빠르게 하면 오히려 나빠진다(0.46화소). 저주파 잔차는 7분의 1이 되지만 1P가 교차 근처의 증폭 영역에 들어간다. 넷째, 어두우면 둘 다 커진다. 1/30 s에서는 자세 운동 잔차만으로 줌 카메라가 3.8화소 번진다. 야간 협시야 감시는 짐벌의 문제가 아니라 기체·센서·노출의 묶음 문제다(4.11·6.4).

이 결과는 소형 쿼드에 긴 초점거리 카메라를 다는 것이 왜 어려운지 보여 준다. 진동원(로터)이 가깝고 빠르며, 마운트를 말랑하게 할 공간과 질량 여유가 없다. 같은 줌 카메라를 진동이 작은 고정익이나 큰 기체에 달면 문제가 훨씬 작아진다.

6.2.11 설계 트레이드오프 — 어디서 흔들림을 지울 것인가

① 기계식 3축 짐벌 + 방진. 노출 중 번짐까지 지우고 시선을 자유롭게 돌린다. 협시야·야간·지향 정보가 필요한 감시·수색·점검에 맞다. 무게·전력·기계 고장·공진 관리가 대가다.

② 고정 장착 + 전자식 안정화. 가볍고 단순하며 움직이는 부품이 없다. 밝은 낮의 광각 촬영과 매핑(연직 고정)에 맞다. 노출 중 번짐과 시선 돌리기는 포기한다.

③ 2단 구조(큰 짐벌 + 미세 조향). 바깥 짐벌이 큰 운동을, 안쪽 빠른 조향 거울이나 미세 단이 높은 주파수를 맡는다. 장거리 협시야 감시와 자유공간 광통신(3.17)의 길이다. 가장 무겁고 비싸다.

견해: 소형 민간 UAS에서는 광각·주간 임무는 ②, 줌·야간·지리 위치 결정이 필요한 임무는 ①로 나누는 것이 맞다고 본다. 근거는 6.2.10의 계산이다. 광각 카메라의 번짐은 짐벌 없이도 주간 노출에서 작고, 짐벌 하나가 2 kg 쿼드의 체공을 약 7 %포인트 깎는다. 반대로 10배 줌은 짐벌이 있어도 방진을 다시 설계해야 할 만큼 요구가 엄격해서 전자식으로는 불가능하다. 또 하나의 근거는 지향 정보다. 6.2.7의 예산에서 보듯 위치를 보고해야 하는 임무(수색구조·재난 보고)는 엔코더와 자이로가 있는 기계식이 메타데이터의 출처가 된다. 반대 입장으로, 전자식 안정화와 영상 처리 기반 자세 추정이 빠르게 좋아지고 있어 ②의 범위가 넓어질 것이라는 견해도 합리적이다. 이 판단은 교육용 진동 가정에 기대므로 실제 기체의 진동 측정(8.23의 로그 스펙트럼)으로 확인해야 한다.

6.2.12 세 축 비교

6.2.13 관련 규격·프로토콜

짐벌의 "안정도"를 시험하는 공통 표준은 확인하지 못했다 (확인 필요). 제조사 수치는 진동 입력·시야·측정 대역을 함께 밝혀야 비교할 수 있다(24.1).

6.2.14 관련 규제·인증 요구와의 연결

6.2.15 함정과 한계

이 장의 한계를 밝혀 둔다.

• 루프 모형은 2형 루프에 지연 하나를 둔 교육용이다. 구조 공진, 모터 포화, 마찰의 비선형, 케이블 강성을 넣지 않았다.
• 진동 입력(2°·1 Hz, 0.35 mrad·107.2 Hz)은 가정이다. 실제 기체에서 측정해 바꿔 넣어야 한다.
• 지향 오차 예산의 항목 값은 교육용이며, 항목 사이의 상관(예: 열 변형과 정렬)을 무시했다.
• 전자식 안정화의 성능은 알고리즘·센서마다 달라 일반화하지 않았다.

6.2.16 체크포인트·연구 질문

체크포인트

1. 안정화와 지향이 각각 어떤 오차를 막는지 작성하고, 사양서의 "안정도 µrad"와 "지향 정확도 °"를 구분하라.
2. 속도 15 m/s로 지상점 옆 10 m를 지날 때 2축 짐벌의 방위 최대 각속도는? 방위축 한계가 50 °/s이면 추적을 유지할 수 있는가?
3. 교차 15 Hz 2형 루프가 2 Hz 흔들림과 107.2 Hz 진동을 각각 몇 dB 줄이는지 그림에서 읽고, 둘을 누가 맡아야 하는지 설명하라.
4. 고유진동수 20 Hz, 감쇠비 0.1인 마운트의 정적 처짐과 1P(107.2 Hz) 전달률을 구하라.
5. IFOV 0.05 mrad 카메라로 1/100 s 노출에서 번짐을 0.5화소 안에 두려면 잔차 각속도는 몇 °/s 이하여야 하는가?
6. 6.2.7의 소형 짐벌 예산에서 방위 오차를 0.3°로 줄이면 합성 지향 오차는 얼마가 되는가?

연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)

1. 소형 쿼드의 협시야 안정화 — 로터 1P가 100 Hz 근처인 소형 기체에서 10배 이상 줌 카메라의 번짐을 0.5화소 안에 두는 최소 질량의 방진·안정화 구성은 무엇인가?
2. 영상 기반 지향 보정 — 지상 특징을 지도와 정합해 방위·보어사이트 오차를 비행 중에 추정하면(4.7) 소형 기체의 지향 오차를 전술급 수준으로 줄일 수 있는가?
3. 안정도 시험 표준 — 짐벌의 안정도를 같은 진동 입력·측정 대역에서 비교할 공개 시험 절차를 만들 수 있는가?
4. 전자식 안정화의 한계 — 이벤트 카메라(4.11.7)나 짧은 노출의 다중 프레임 합성이 노출 중 번짐 문제를 기계식 없이 풀 수 있는가?

1차 출처(이 장)

• Hilkert, J. M., "Inertially Stabilized Platform Technology: Concepts and Principles", IEEE Control Systems Magazine 28(1), 2008. (권·호 확인 필요)
• Masten, M. K., "Inertially Stabilized Platforms for Optical Imaging Systems", IEEE Control Systems Magazine 28(1), 2008. (권·호 확인 필요)
• MAVLink Gimbal Protocol v2 문서(mavlink.io).
• MISB ST 0601, STANAG 4586 — 판은 9.7·9.8에서 확인한다.
• MIL-STD-810H, RTCA DO-160G — 판과 개정은 8.9에서 확인한다.

출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9에서 다룬다.

다음 장: 6.3은 짐벌 안의 카메라 자체, 곧 전자광학(EO) 영상 센서를 다룬다. 렌즈와 검출기, 롤링·글로벌 셔터, 회절 한계와 화소 한계가 만나는 곳, 그리고 GSD를 높이·초점거리·화소 피치에서 유도한다. 이 장의 IFOV와 번짐 계산이 실제 해상도 한계와 어떻게 중첩되는지가 거기서 이어진다.