[[계기비행]]Delco Carousel IV-A INS 장치와 관성항법(慣性航法 inertial navigation)_[1]
작성자도륜작성시간08.01.01조회수1,665 목록 댓글 9-->
관성항법 (慣性航法 inertial navigation) |
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머리말
금세기 과학자들은 먼거리를 이동하는 철새 또는 비둘기나 연어와 같은 회귀성 동물들이 어떻게 길을 찾아가는가 하는 방법에 관하여,
여러가지 실험적 가설들을 발표하고 있지만 명확한 진실이 무엇인지, 선뜻 납득할만한 해답을 내놓치 못하고 있는 것 또한 사실입니다.
우리 인간도 하늘 길이 뚫리기 전, 드넓은 바다에서 어떻게 길을 찾아가야 하는지를 고민하던 중에, 특정한 천체와 수평선 간의 각도를
재고 나침반을 활용할 줄 알면서부터 원거리의 항해가 가능해졌던 것을 우리들은 잘 알고 있습니다.
이렇게, 목적하는 곳까지 길을 찾아가는 방법을 항법(航法, Navigation )이라고 하는데, 우리 플시머 들도 가상의 하늘 길에서 VOR/DME,
NDB/ADF 또는 FMC와 같은 항법장치를 활용하여 자연스럽게 목적지까지 비행하면서 대리 만족의 즐거움을 누리고 있을 것입니다.
그러나 그동안 플심을 하면서 아쉽게 느껴졌던 한가지 사실은 훌룡한 기체(機體)와 다이나믹한 특성을 가진 항공기들이 많이 발표되고는
있지만, 적당한 항법장치를 찾지 못해서 잘 활용되고 있지를 못하다는 것입니다.
일부, 값비싼 상용기에서와는 달리, 디폴트 B777, B747의 경우만 보더라도 VOR항법에 의한 근거리 운항은 가능할지 몰라도
중/대형 광폭 기체의 특성에 걸맞는 중/장거리 운항에는 VOR항법만 가지고는 운항이 사실상 불가능하다는 것입니다.
물론, 가상의 플심상에서는 보조적으로 항로를 인도해주는 (실제의 항법장치와는 무관한) 프로그램들이 사용되고 있지만,
사실성을 중시하는 플시머의 입장에서는 결코 추천할만한 것이 아니며, 오히려 플심을 한낫 게임의 범주에 묶어버리는 흉물(?)로
생각되기도 하는 것입니다.
이러하던 차에, Civa에서 보급하는 Delco Carousel IV-A Inertial Navigation Systm을 설치하여 활용해보고 나서는,
위에 예를 들었던 것과 같은 문제점을 명확하게 해결할 수 있는 좋은 대안이 될 수 있겠다는 생각을 하게 되었고,
이렇게 사실적으로도 훌룡한 INS가 널리 보다 많이 활용되어서, 적당한 항법장치의 부재로 그동안 아쉽게도 사장될 수밖에 없었던
좋은 (디폴트)기체들이 하늘을 다시 날 수 있는 계기가 마련되기를 바라는 마음을 가지고 이 문서를 작성하게 되었습니다.
그럼으로 이 문서에서는 비행일지나 운항 Tutorial과는 달리 INS의 활용에 초점을 맞추어 나가려고 합니다.
부가적으로 여기에는 많은 장점이 있어서, 누구나 무료로 다운받아서 사용할 수 있다는 점과
프로그램의 완성도가 높고, 장치조작에 있어서도 실제적인 측면과 매우 흡사하다는 것입니다.
또한 FS2002, FS2004, FSX에서의 어느 항공기체에나 쉽게 장착이 가능하다는 점을 들 수 있습니다.
상용기에서 장거리 운항에 사용되는 FMC의 경우, 한번 일괄적으로 입력해 놓은 항로를 순항할 때는 비행에 따른 집중력을
다른 일에 할애 할 수도 있는 반면, INS의 경우, 일정 구간마다 계속해서 장치를 돌봐 주어야만 한다는 점이 단점이라면 단점이겠지만,
비행중에 계속해서 조종사의 집중력을 요구하고 사실성에 가깝게 닥아서게 한다는 점에 있어서는 결코 단점으로 생각해서는
않될 것으로 여겨지며, 공항에 접근하여 SID/STAR절차를 INS를 활용하여 상세하게 자동으로 처리하기가 어려운 점이 있겠으나,
이 또한 수동조작을 강요(?) 받음으로써 비행술의 연마 및 수동조작의 즐거움을 배가 시키는 효과도 있다고 생각합니다.
제가, 보다 많이 보다 더 잘 알아서 이 문서를 작성하는 것이 아니며, 다만 이를 계기로 INS를 활용하는 교두보로 삼으시고,
설명에서 부족한 점은 각자 노력하고 연구하여 보충하여 주실 것을 당부 드리는 바 입니다
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관성항법이란? |
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1. 연 역 관성항법장치는 제2차세계대전 때 독일의 액체 연료로켓 V2호에 사용된 것이 시초라고하며, 전후 장거리미사일과 우주로켓의 궤도제어장치(軌道制御裝置)로 개발이 계속되면서 그 성능이 현저하게 향상되었습니다. 1953년 미국에서의 6,000마일 실험비행에 오차(誤差)는 불과 15마일이라는 성과를 올렸고, 더욱 개량된 선박용 시스템에 의해 1958년 원자력잠수함 노틸러스호가 북극해의 잠항횡단(潛航橫斷)에 성공하였으며, 1962년에는 미국의 유인위성(有人衛星) 제1호 프렌드십에 탑재·발사되어 그 유용성이 입증되었습니다. 1968년 미국연방항공국(FAA)에 의해 정식으로 인가되어, 1969년 최초로 동체(胴體)가 넓은 기종으로 제작된 보잉 747 이후의 신형 수송기의 장거리용 항법시스템에는 거의 관성항법장치가 활용되기 시작 하였습니다.
2. 구 성 관성항법장치는 가속도의 측정과 속도·위치·이동거리 등을 산출하는 자이로스코프 기준장치, 항법데이터 등 필요한 정보를 컴퓨터에 기억시키기 위한 모드 선택기(Mode Selector), 필요한 정보를 얻어내기 위한 조작 지시기(指示器, Indicator)로 구성되며, 자이로스코프 기준장치에는 가속도계와 자이로스코프를 실은 안정반(Base), 가속도계에서 얻어진 자료를 처리하는 컴퓨터 등으로 구성됩니다.
3. 원 리 가속도계는 여러 종류가 있으나 기본적인 것은 고성능의 정밀 1축(軸) 자이로스코프(Gyroscope)입니다. (오른측 위의 사진 참조) 자이로스코프에는 회전축에 대하여 옆방향에서 외부의 힘이 가해지면 입력(入力)방향으로부터 90˚ 어긋난 방향에 축이 닿아 외부힘에 대응한 각속도로 세차운동(歲差運動)을 하는 성질이 있습니다. (오른측 맨아래의 사진 참조) 이 성질을 이용하여 자이로스코프의 운동변화를 전기신호로 변환하고 컴퓨터에 보내어 가속도를 검출합니다. 남북방향·동서방향의 가속도를 각각 2회 적분해서 얻어지는 위치벡터의 합(合)에서 출발점부터의 비행거리 (수평면상의 위치)를, 또 이것과는 별도로 상하방향의 가속도를 2회 적분해서 고도(高度)를 구합니다.
항상 방위와 수평을 유지하는 안정반(Base) 위에 배치되어 있으나, 안정반도 지구의 자전과 항공기 자신의 이동에 따른 영향 또는 상대운동에서 오는 코리올리의 힘의 영향을 받으며, 더욱이 자이로스코프 자체의 오차 등으로 인해 항상 보정(補正, Alignment)·수정을 할 필요가 있습니다. 함으로써, 비행중 항공기의 현재위치(위도 및 경도)뿐만 아니라 진방위(眞方位), 비행코스, 대지속도(對地速度), 편류수정각(偏流修正角), 현재 비행위치의 풍향과 풍속, 목적지 또는 도중 통과점까지의 거리 및 그곳까지의 도착시간, 목적지 및 통과점의 장소, 코스를 벗어난 거리와 각도 등의 정보를 얻을 수 있습니다.
4. 특 징 현재 장거리운항의 항법장치로 주로 사용되고있는 FMC (또는 FMS라고도 함.)도 내장되어있는 핵심 장치로는 INS가 탑재되어 있으며, 더욱 고도화된 컴퓨터 프로그램을 통하여 FMC라는 이름으로 진화된 것으로 이해하면 될 것 입니다. 이와 같이 INS는 (무선송신소, 인공위성등과 같은) 외부 보조설비의 도움 없이 자체적으로 항법자료를 취득함으로 적의 방해공작에 영향을 받지 않고 목표물까지 날아 가야하는 원거리 유도무기계, 이동하는 선상이나 전차포탑에서 정해진 타켓에 포신을 고정시키는데 주로 활용되며, 전파가 도달하지 못하는 심해를 운항하는 잠수함 등의 항법장치에는 필수 불가결한 것입니다.
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장치의 설치와 게이지의 구성 |
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프로그램의 설치 인터넷상의 http://www.simufly.com/ins/download.html에서 최신의 프로그램을 다운받습니다. 2007년 12월 현재 최신 버전은 V1.51입니다. 적당한 곳에 빈 폴더를 만들고, 그곳에 다운받은 civa151.zip파일을 풀어서 넣습니다. civa150.exe파일을 실행하여 설치를 시작합니다. 설치 화면에서 Flight Simulator가 설치되어 있는 디렉토리를 지정하고 Next버튼, 다음에 Start버튼을 누르면 간단히 설치가 완료 됩니다. Flight Simulator설치된 폴더/Civa에 위와 같이 설치된 INS프로그램을 확인 할 수 있습니다.
게이지의 설치 항공기의 메인 판넬에서 INS장치의 게이지 판넬을 불러낼 수 있는 아이콘 및 게이지를 해당 항공기의 Panel.cfg파일을 편집하여 설치합니다. Panel.cfg에 편집하여 넣을 내용은 아래와 같이 크게 4 부분으로 되어 있습니다. 위에 보인 것은 FS2004의 디폴트 B737-400 항공기의 Panel.cfg에 편집된 부분만을 발취한 것입니다. Panel.cfg파일의 편집은 약간 번거로운 작업이 될 수도 있습니다. 그래서 편리를 도모하기 위하여 이미 편집하여 놓은 몇 종류의 항공기 Panel.cfg를 모아서 아래의 첨부자료에 올려 놓겠습니다. 다운 받아서 해당 항공기의 Panel폴더를 열고 복사해 넣으면 될 것입니다. 원본 Panel.cfg는 따로 보관 해 둘 것을 권고합니다.
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Delco Carousel INS 장치의 일반 개론 |
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Delco Carousel INS는 수평면상의 항법 데이터를 연속적으로 계산하여 생성해 냅니다. INS로부터 나오는 항법 데이터 출력 자료를 활용하여 사전에 설정해둔 항로에 맞추어 INS는 항공기를 자동적으로 대원(大圓, Great circle) 진행 방향(Heading)으로 조종하게 됩니다. 각 INS장치는 자신이 생성하는 항법자료와 운용상태를 표시기에 표시합니다.
각 INS장치는 다음과 같은 구성요소로 이루어져 있습니다.
INS 시스템은 항공기에 단독 또는 다중(2중계/Dual, 3중계/Triple)으로 장착 할 수 있습니다. 다중으로 장착된 INS는 서로 연동되기는 합니다만, 완전히 독자적인 각각의 장치로 보는 것이 더 타당합니다. 서로 연동될 수 있는 부분은 관성/위치표시의 교차확인, DME 업데이트 자료의 공유와 항로위치좌표(WayPoint) 설정의 연동입력 정도로 제한되어 있습니다. 조종사는 어느 쪽 INS로부터 자동운항(AutoPilot)정보를 받을 것인지를 INS NAV mode switch로써 선택할 수 있습니다. 조종사는 항공기 운항중 어떤 경우에라도 최대 9개까지의 항로위치좌표(WayPoint)정보를 새로 입력하거나 변경조작을 가 할 수 있습니다.
INS에 표시되는 수평면상의 대원(大圓, Great circle)항법 데이터의 종류는 다음과 같습니다.
또한, 조종사는 INS의 운용 상태나 진행되는 작동상황을 계속해서 면밀히 관찰하고, 경고, 조치, 오동작동 등의 오류코드가 발생하는 대로 그에 따른 적절한 처리를 신속히 수행하여야합니다.
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MSU - Mode Selector Unit |
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-Mode Selector Knob : INS의 작동 모드를 선택하는 5단계의 로타리 스위치로 되어있습니다. STBY에서 ALIGN로, NAV에서 ATT위치로 전환할려면 손잡이 중앙을 마우스로 한번 눌러서 손잡이를 뽑은 다음에 돌려야만 합니다. -OFF : INS의 전원을 켜고 끕니다. -STBY : INS에 전원이 들어오고 신속한 웜업(Fast warm up)이 이루어 집니다. 이 상태에서 INS에서는 CDU에 관련자료를 입력 할 수 있습니다. -ALIGN : 신속한 웜업이 완료되면 자동적으로 INS의 보정(Alignment)이 시작 됩니다. 신속한 웜업의 완료시간은 초기의 gas INS 자이로의 온도에 의하여 정해집니다. 즉, 분당 6.7도의 비율로 상승해서 섭씨75.6도 까지 도달해야 하는데, 만약에 초기 온도가 20도 였다면 약 5분의 시간이 걸릴 것입니다. 과열 웜업상태가 되면 자동적으로 웜업은 멈추게 됩니다. INS 보정(Alignment)중에 API 8에 도달하면 배터리 Test가 수행됩니다. 이때 CDU의 BAT등에는 잠깐 불이 들어오게 됩니다. -NAV : API 5에 도달하면 MSU에 있는 Ready NAV 녹색등이 켜지고, 이때 Mode Selector를 NAV로 선택하면 CDU상의 표시창에 MI 5(STBY/ALIGN Mode)가 MI 4(Navigation Mode)로 바뀌게 됩니다. API 5는 순차적으로 API 0까지 다운 카운트 되면서 보정의 정밀도를 더 높여가게 됩니다. API 5상태에서 MSU가 NAV로 선택되었다면 항공기는 (비행)운용할 수 있는 조건이 다 갖추어진 것입니다. MSU에서 NAV로 선택하기 전까지 항공기를 절대로 움직여서는 않되며, NAV로 선택되는 순간, MSU상의 Ready NAV 녹색등은 꺼집니다. 만약, Mode Selector를 OFF위치에서 (STBY, ALIGN을 건너뛰고) 즉각 NAV위치에 선택하여도, API 7이 되기 전에 항공기의 시발점 게이트 위치좌표를 입력하였다면 자동적으로 STBY, ALIGN을 순차로 이상 없이 처리하게 될 것입니다. 그렇치만, 이 경우에는 배터리 테스트나 과열방지 처리는 수행되지 않을 것입니다. -ATT : INS는 관망하는(동작하지 않는 상태) 모드로 선택됩니다. CDU는 꺼지고, INS 보정(Alignment)은 의미가 없는 것이 됩니다. 운항중에 어느 한쪽의 INS장치가 회복 될 수 없는 고장을 일으켰을 경우에 이 위치로 선택하여 분리시켜 버리는데 사용될 수 있습니다.
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CDU - Control & Display Unit |
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-AUTO/MAN switch : 항공기의 진로결정을 INS가 할 것인지, 조종사가 할 것인지를 선택합니다. -TEST switch : 조치사항이나, 기능 오류코드가 떳을 경우, 조종사는 이것을 확인하고 적절한 처리를 한 후에 표시된 코드를 제거하는데 이 스위치가 사용됩니다. 고장상태가 아닌 경우에 이 스위치를 누루면 MSU, CDU에 모든 등과 표시기가 켜져서 램프의 고장여부를 확인할 수 있도록 합니다. (물론 사이버상에서는 램프가 끊어져있을 염려는 없지만,) -DATA SELECTOR : 좌우 표시창에 어떤 종류의 자료를 표시할 것인지를 결정합니다. -DIM switch : 모든 램프와 표시기의 밝기를 조절합니다.(원형 손잡이의 위쪽을 누르면 밝아지고, 아래쪽을 누르면 어두어집니다.) -WYPT CHG key : 이 키가 눌려지고 불이 들어오면 CDU키보드로 FROM-TO 표시창에 숫자를 변경하는 것을 가능하게 합니다. 또한 INSERT 버튼이 밝게 켜지는데, CLEAR 또는 INSERT키를 누르면 불이 꺼집니다. -Waypoint/DME switch : Waypoint 또는 DME의 ID 숫자를 선택합니다. -FROM-TO Display : 조종사가 Waypoint 또는 DME의 ID 숫자를 설정하거나 참조할 수 있도록 되어있는 2자릿수의 숫자 : 1. 깜빡거리지 않는 2자리 숫자라면, 현재 운항중인 항로구간의 (양 끝단의) 두 개의 Waypoint ID를 의미합니다. 2. 깜빡거리지 않는 FROM위치에 1자리 숫자이고, Data Selector가 WAYPT위치에 선택되어 있다면 좌우 표시기에 보이는 현 자료의 Waypoint ID를 의미 합니다. 3. 깜빡거리는 FROM위치에 1자리 숫자이고, Data Selector가 WAYPT위치에 선택되어 있다면 현재 운항되고 있는 항로구간에 속하는 Waypoint ID를 의미합니다. 4. 깜빡거리는 TO위치에 1자리 숫자이며, VOR/DME Updating을 구분 설정하기 위한 숫자임을 의미합니다. -HOLD key : 버튼(키)을 누르면 밝게 빛납니다.(또는 켜져 있었을 경우는 꺼집니다) 켜져 있는 상태는 수동으로 Updat 또는 비교점검 하기 위하여 현재 표시되어 있는 모든 작동상황을 정지/동결시킨 상태입니다. 부가적인 특별한 상황을 나타내기 위해서도 켜지는 경우가 있습니다. -REMOTE key : 버튼을 눌러서 밝아진 상태라면, (다중계로 설치되어있는) CDU에 항로설정 좌표자료를 동시에 Loading 하거나 설정할 수 있습니다. 한번 더 누르면 밝게 빛나던 것이 꺼집니다. -Left/Right data display : Data Selector에서 선택되어진 항목에 해당되는 자료가 표시 됩니다. -INSERT key : 키보드에 의하여 설정된 자료를 Navigation Unit(NU)에 등록합니다. CDU의 키보드로 입력하는 동안 밝게 INSERT key는 켜지게 되며, INSERT key를 누르면 꺼지고, CLEAR버튼을 눌러도 꺼지면서 입력 설정은 무효화됩니다. -ALERT light : 항공기가 전방에 있는 Waypoint에 도달하기 2분전부터 등황색으로 켜집니다. AUTO/MAN 스위치가 MAN으로 선택되어 있을 때, 항공기가 Waypoint에 도달하였거나 지나쳤을 때는 등황색 불이 깜박이게 됩니다. 이것은 다음 항로 구간 설정을 수동으로 수행하도록 조종사에게 경고하는 의미를 갖습니다. AUTO/MAN 스위치가 AUTO일 때는 Waypoint를 지나는 순간 켜졌던 불은 즉시 꺼지게 됩니다. -BAT light : INS의 보정(Aligment)단계가 API 8에 도달하면 약 15초간 등황색 불이 켜지면서 배터리 테스트가 수행 중에 있음을 나타냅니다. INS가 배터리 전력으로만 작동중일 때에도 역시 불은 켜집니다. -WARN light : INS가 작동중 비정상적인 조건이 발생했을 때 적색불이 켜집니다. -Keyboard : 좌우 표시창 과/또는 FROM-TO 표시창에 입력 자료를 설정할 수 있는 10개의 보턴(키)로 구성 되어있습니다. -CLEAR key : 입력 설정된 자료를 INSERT로 등록하기 전에 이 보턴(키)를 누르면 입력 설정이 취소/무효화 됩니다. -Right Mouse Click key : HOLD 와 3, 7, 9 보턴(키)는 마우스의 오른쪽 클릭도 가능합니다. -Keypad input flag : 나사부분을 마우스로 클릭하면 바로 위쪽에 녹색의 불이 켜집니다. 이 상태에서 INS상의 키보드를 대신하여, PC의 키보드에 있는 숫자 키패드를 사용 할 수 있게 됩니다.
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NS NAV mode selector |
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INS가 다중계로 설치되어 있는 경우, 어느 INS장치로부터 항공기의 Heading제어정보를 받을 것인지를 INS NAV mode selector 에 의하여 선택합니다. 위의 그림은 3중계(triple)로 구성된 INS의 경우를 보인 것입니다.
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INS Updating Indicator |
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관성항법 운항중에 임의의 VOR/DME국으로부터 수신되는 정보를 받아서 지금까지 누적되어온 오차(편차)를 자동 보정하는 VOR/DME Updating기능을 수행할 때 이 표시기에 녹색불이 들어오며, Updating기능이 중단 또는 해지 되었을 때 꺼집니다.
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ADEU - Automatic Data Entry Unit |
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버전 1.40까지는 Waypoint 항로좌표를 개별적으로 한곳씩 순차적으로 INS에 입력 설정했었음으로, 이것은 매우 번거로운 일 이었습니다. 버전 1.50부터는 Waypoint 항로좌표자료를 몇 묶음의 파일로 나누어서 보관하였다가 일괄 입력하는 위 그림과 같은 게이지를 사용할 수 있게 되었습니다. Waypoint 항로좌표자료 파일(들)은 Flight Simulator설치된 폴더/Civa/ADEU폴더 안에 플심의 기동 전에 넣어져 있어야 합니다. 폴더 안에 들어있는 파일은 위 ADEU 게이지의 파일이름(RKSI-RPVM_1_1-9.AWC)이 보이는 부분의 앞쪽(RKS...) 또는 뒤쪽(...AWC)부근을 마우스로 클릭하면 순차로 위의 그림에 보인 것과 같이 파일이름이 (스크롤되어) 나타납니다. Waypoint 항로좌표로 입력해야하는 파일이름이 나타났을 때에 Aux Start(동그란 빨간 버튼)를 누르면 해당 파일에 담겨진 Waypoint 좌표들이 INS에 일괄 입력되어지는 것입니다. 이때, 선행되어야 할 것은, CDU의 Data Selector는 WAYPT에 선택되어 있어야하며, 다중계의 INS의 경우, 모든 CDU의 REMOTE key가 눌러져 있어야 합니다. READ램프는 항로좌표자료가 Loading되는 동안 불이 켜지며, ERROR는 Loading되는 도중에 오류가 발생하면 적색불이 켜지고, 이것을 누르면 불이 꺼집니다.
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INS장치 설치의 완료 INS 장치를 구성하는 모든 게이지/판넬과 아이콘의 설치를 마치고 플심을 기동하여 확인하면, 아래의 그림과 같이 보일 것이다. 디폴트 Boeing 777-300기종의 패널을 예로 보인 것이다.
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여기까지 Delco Carousel INS 장치 대하여 꼭 한번은 알고 넘어가야 할 부분만을 개략적으로 정리하여 보았습니다. 더욱 상세한 사항을 알고자 하시면 Delco Carousel INS 프로그램이 설치되어 있는 디랙토리의 /DOC폴더 안에 있는 매뉴얼을 참고하시기 바랍니다. 다음 장에서는 일정구간의 항로를 비행하면서 INS를 사용해보도록 하겠습니다.
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