KR100240940B1

KR100240940B1 - 기상위성사진 좌표계산방법

Info

Publication number: KR100240940B1
Application number: KR1019970039202A
Authority: KR
Inventors: 이정열; 성석경
Original assignee: 이해규; 삼성중공업주식회사
Priority date: 1997-08-18
Filing date: 1997-08-18
Publication date: 2000-01-15
Also published as: KR19990016608A

Abstract

기상위성사진 좌표계산방법은 위성위치를 추적하여 기상사진의 각 화소의 지구좌표를 산출한다. 이 방법은 소정시간단위로 위성의 현재위치를 계산하여 위성으로부터 전송되는 기상사진의 각 라인 중앙의 화소에 대응하는 지구상의 위치를 얻어내고, 얻어낸 중앙화소위치로부터의 중심각도를 위성의 고도 및 스캐닝각도로부터 산출하여 얻어낸 후 그 중심각도와 중앙화소의 위치를 이용하여 그 라인의 각 화소위치를 얻어낸다. 따라서, 본 발명은 기상위성이 전송하는 기상사진의 각 화소의 정확한 지구상의 좌표를 산출하므로써, 기상사진을 항해목적에 활용할 수 있을 뿐 아니라 어떠한 전자지도상에서도 쉽게 표시할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

기상위성사진 좌표계산방법

본 발명은 기상위성사진 좌표계산방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기상위성사진을 전자해도상에 정확히 중첩시키기 위해 기상위성사진의 좌표를 계산하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 선박의 항해시 현재 항해하는 위치의 기상상태를 알기 위하여, 지상의 기상국과 무선교선을 통해 음성으로 기상상태를 전달받거나 팩스(FAX)등의 문서전달기기를 통해 해상의 기상상태를 나타내는 기상도를 전달받아 항해시의 항해계획을 세워왔다. 최근에는 과학연구, 우주관측, 기상관측, 통신, 방송, 자원탐사등에 광범위하게 이용되는 인공위성을 통해 현재 기상상태의 위성사진을 수신받는다. 그래서, 현재 선박항해위치를 나타내는 전자해도상에 수신되는 기상위성사진을 중첩시켜 화면에 표시하므로 항해자가 보다 신속하고 정확하게 선박을 운항할 수 있도록 한다. 그 일예를 도 1에 도시하였다.

도 1은 일반적인 기상위성수신시스템을 나타낸 구성도로서, 크게 기상위성으로부터 기상사진데이타를 수신받기 위한 기상위성수신기(10) 및 수신되는 기상사진데이타를 입력받아 전자해도상에 중첩시켜 한 화면으로 표시하는 컴퓨터(20)로 구성된다. 이러한 구성을 갖는 도 1 시스템에 대한 동작을 도 2를 참조하여 설명한다.

도 1에서, 기상위성수신기(10)는 지구 극궤도 또는 정지궤도를 운행하는 기상위성으로부터 기상사진데이타를 수신한다. 기상위성수신기(10)는 위성으로부터 전송되는 기상사진데이타가 이미지(Image)이므로 이를 컴퓨터(20)가 처리할 수 있는 디지탈 영상신호로 변환하여 전달한다. 도 2를 보면, 극궤도 위성은 자전하는 지구의 남극과 북극을 통과하는 궤도를 돌고 있다. 이때, 위성에 장착된 적외선 또는 가시광선센서가 위성의 진행방향에 대해 수직으로 회전하면서 지구표면을 스캐닝(Scanning)한다. 위성은 약 870㎞ 상공에서 양극을 경유하여 지구를 110분당 1회전하고 센서는 360RPM으로 회전하여 1초에 6라인을 스캐닝한다. 이때, 스캐닝각도는 110.8도이다. 위성에서 스캐닝한 데이타를 전송시 데이타량이 많으므로 1초에 2스캔라인만(매 3라인마다 1라인씩)을 전송하며, 각 라인내 화소들을 모두 전송하지 않고 약 900개의 화소로 축소하여 전송한다. 즉, 하나의 스캔라인(Scan Line)은 약 900개의 화소(Pixel)데이타로 만들어진다. 위성은 센싱되는 각도에 따라 다른 비율로 화소를 축소 선택하여 도 2에 보여지는 바와 같은 기상사진을 재구성시켜 전송한다. 여기서, 기상사진의 중앙화소위치는 스캐닝중심선으로 궤도를 따라 이동하는 위성의 위치와 일치한다. 이렇게 구성되는 기상사진은 기상위성수신시스템에서 기상위성수신기(10)에 의해 수신되어 컴퓨터(20)로 전달되며, 컴퓨터(20)는 전자해도등의 전자지도상에 수신된 기상사진데이타를 중첩하여 한 화면으로 표시한다.

하지만, 위와 같은 종래 기상위성수신시스템은 지구가 곡면이므로 수신되는 기상위성사진의 해상도가 양끝으로 갈수록 떨어짐에 대해 보정을 하지 못하였다. 즉, 위성바로 아래지역은 하나의 화소가 표시하는 실제 지역이 1㎞이나 양끝은 4㎞이다. 또한, 기상사진의 각 화소데이타에 대해 정확한 좌표를 알수없어 전자해도와 대응하는 위치에 정확하게 중첩하기 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 기상위성사진의 이미지왜곡을 보정할 뿐 아니라 각 화소들의 지구좌표를 계산하여 전자해도상의 대응되는 위치에 기상사진을 정확하게 중첩시킬 수 있는 기상위성사진 좌표계산방법을 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 기상위성수신시스템을 나타낸 구성도,

도 2는 기상위성사진 촬영 및 이미지형성을 설명하기 위한 도면,

도 3은 센싱각도별 화소검출비율을 설명하기 위한 도면,

도 4는 지구중심각도 산출과정을 설명하기 위한 도면,

도 5는 화소들의 지구좌표 계산과정을 설명하기 위한 도면.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기상위성사진 좌표계산방법은, 기상위성수신시스템에 있어서, (1) 기상위성으로부터 기상사진데이타를 수신하며, 수신된 기상사진의 화소데이타를 라인단위로 저장하는 단계와, (2) 일정시간단위로 현재 위성의 위치를 계산하여 각 라인의 중앙화소에 해당하는 지구상의 위치를 구하는 단계와, (3) 상기 구한 중앙화소의 위치에 근거하여 각 화소의 지구중심각도를 산출하는 단계, 및 (4) 상기 산출된 각 화소의 지구중심각도로부터 수신된 모든 화소들의 지구좌표를 계산하는 단계를 포함한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

도 3은 센싱각도별 화소검출비율을 설명하기 위한 도면이다. 이는 지구가 곡면이므로 기상위성사진의 해상도가 양끝으로 갈수록 떨어짐을 보정하기 위하여, 도 3에 보여지는 바와 같이 화소를 축소 선택하여 전송한다. 위성에서, 센싱각도에 따라 기상사진의 각 스캔라인을 9개의 구간으로 나눈다(ZONE5,…,ZONE1,…, ZONE5). 스캐닝각도가 110.8도인 경우, 기상사진의 스캐닝중심선을 기준으로 양측 라인에 대해 ±16.98도 영역을 구간1(ZONE1), ±16.98도에서 ±34.83도 사이의 영역을 구간2(ZONE2), ±34.83도에서 ±43.83도 사이의 영역을 구간3(ZONE3), ±43.83도에서 ±48.84도 사이의 영역을 구간4(ZONE4) 그리고 ±48.84도에서 ±55.4도 사이의 영역을 구간5(ZONE5)로 나눈다. 이렇게 나누어진 각 라인의 구간들중 양끝구간(ZONE5)은 들어있는 화소데이타를 모두 선택하며 중앙으로 갈수록 화소수를 감소하여 중앙구간(ZONE1)은 ¼만큼의 화소데이타만을 선택한다. 즉, 구간5(ZONE5)는 들어있는 화소데이타를 그대로 선택하고, 구간4(ZONE4)는 1.5개씩 화소데이타의 평균을 취하여 선택하고, 구간3(ZONE3)은 2개씩 인접한 화소데이타의 평균을 취하여 선택하고, 구간2(ZONE2)는 화소데이타 1개씩을 건너뛰면서 3개씩 인접한 화소데이타의 평균을 취하여 선택하고, 구간1(ZONE1)은 4개씩 인접한 화소데이타의 평균을 취하여 선택한다. 위성은 이렇게 선택된 화소들에 대해서 라인을 재구성하여 전송한다. 결국, 기상위성사진은 전체적으로 해상도가 4㎞가 된다. 이는 다음의 표 1로 정의될 수 있다.

ZONE 116.98 degreesfrom nadir	average 4contiguous samples	628 AVHRRdata samplesper channel	157 processed APT wordsoutput to D/A converter
ZONE 216.98 - 34.83degrees eitherside of nadir	average 3contiguous samples,skip 1, repeat	330 AVHRRdata samplerper channel	110 processed APT wrodsoutput to D/A converter
ZONE 334.83 - 43.83degrees eitherside of nadir	average 2contiguous samples	166 AVHRRdata samplesper channel	83 processed APT wordsoutput to D/A converter
ZONE 443.83 - 48.84degrees eitherside of nadir	average 1.5 samples(A+B/2 and B+C/2)	93 AVHRRdata samplesper channel	62 processed APT wordsoutput to D/A converter
ZONE 548.84 - 55.4degrees eitherside of nadir	retain originalresolution	121 AVHRRdata samplesper channel	121 processed APT wordsoutput to D/A converter

컴퓨터(도 1 참조)(20)는 위와 같은 표 1의 센싱 각도별 화소검출에 근거하여 재구성된 기상위성사진에 해당하는 각 화소데이타에 대하여 지구상에서의 실제 좌표를 구한다. 이를 위하여 먼저, 위성의 현재위치를 계산한다. 극궤도 위성의 현재위치(위도, 경도), 고도, 속도벡터를 구하는 방법은 이미 공지되어 있다. 위성위치 계산방식에 따라 현재의 시간 및 해당 위성의 궤도운동계수(Keplerian Elements)를 입력으로 하여 위성의 위도, 경도, 고도, 속도벡터(Vx,Vy,Vz)를 구할 수 있다. 위성의 위치는 x, y, z축의 3차원구좌표계로서 표시될 수 있으며, 여기에서 지구중심을 원점으로 하여 남북극을 지나는 축을 z축, z축과 직각으로서 위도와 경도가 "0"인 지점과 지구중심을 통과하는 축을 x축, 그리고 x축 및 z축과 직각인 축을 y축으로 놓는다.

현재 위성의 위치(위도, 경도, 고도)를 이용하여 기상사진의 각 화소의 위치를 결정한다. 먼저, 컴퓨터는 수신되는 화소데이타를 라인단위로 저장한다. 위성은 초당 2라인을 전송하며, 컴퓨터는 초당 2라인분량의 화소데이타를 수신하여 저장함과 동시에 초당 한번 위성의 현재위치(위도, 경도, 고도, 속도벡터)를 계산하여 별도의 데이타형태로 저장한다. 이때, 저장되는 위치가 바로 각 라인 중앙의 화소에 대응하는 지구상 위치가 된다. 초당 2라인을 수신하는 데, 첫번째 라인에서의 위성의 위치는 그 초에서 계산하여 얻는 값이고, 두번째 라인에서의 위성의 위치는 다음 초에서 계산되는 위성의 위치와의 평균값을 취하여 얻어진다. 컴퓨터(20)는 이렇게 얻어진 현재 위성의 위치 "E₁"을 이용하여 그 라인상에 존재하는 각 화소의 지구상 위치 "E₂"를 구한다. 이를 위하여, 좌표값을 알고 있는 그 라인 중앙 화소 "E₁"으로부터의 중심각도 "θ"를 구하고, "E₁"의 위치벡터를 지구를 중심으로 하는 위성의 방향벡터를 축으로 "θ"만큼 회전시켜 구하고자 하는 화소의 지구상 위치 "E₂"의 위치벡터를 구한다. 화소의 중심각도는 다음의 수학식 1에 근거하여 구하며, 이는 널리 알려진 수학공식이다.

위의 수학식 1을 보면, 중심각도(θrot)는 "E₁" 위치벡터의 회전량을 의미한다. 중심각도(θrot)는 도 4에서 보듯이 위성의 고도(H) 및 위성으로부터의 스캐닝각도(θscan)로부터 산출된다. 위성의 고도(H)는 위성위치계산에 의해 산출되며, 각 화소에서의 스캐닝각도(θscan)는 앞서 설명한 위성의 화소 재구성에 근거하여 산출한다. 즉, 수신된 라인의 화소들을 9개 구역으로 나누고, 각 구역별로 평균스캐닝각도 차를 적용하여 각 화소의 스캐닝각도를 산출한다. "N"번째 화소의 스캐닝각도(θscan)는 다음의 수학식 2와 같이 계산된다.

scan[N]=NTIMESθdiff+θoffset

여기서, N은 화소의 배열순서로 라인의 제일 좌측 화소가 0이고 우측으로 갈수록 증가한다. θdiff는 평균스캐닝각도차, θoffset은 각 영역별 시작각도값이다. 예를 들어, 한 라인이 892개의 화소로 되어 있고, 표 1의 비율에 따라 제일 왼쪽의 첫번째 구역(Zone5)인 -55.4도 ∼ -48.84도 영역은 "892×121%942=119"이므로 0∼118번째까지의 화소이다. 따라서, 이 화소들의 평균스캐닝각도차이(θdiff)는 "(110.8-104.24)%119=0.0551261도"가 되며, 이 영역에서의 각 화소들의 스캐닝각도는 위의 수학식 2에 따라 "θscan[N]=N×0.0551261 -55.4°"가 된다(0≤N≤118). 나머지 8개영역의 화소들도 동일한 방법으로 스캐닝각도를 구한다.

화소의 스캐닝각도로부터 화소의 지구중심각도(θrot)를 구할 수 있으므로, N번째 화소의 지구중심각도를 알면 도 5에서 보듯이, 좌표를 알고 있는 중앙화소를 이용하여 N번째 화소의 좌표를 계산할 수 있다. 이는 다음의 수학식 3으로 정의된다.

여기서,

은 위성의 지상좌표벡터,

는 위성의 진행방향벡터(단위벡터),

는 위성에서 스캐닝각도(θscan)로 읽어들인 지점의 좌표벡터를 의미한다.

이처럼, 수신된 모든 화소들의 지구좌표를 계산할 수 있다. 지구좌표를 알고 있는 화소는 어떤형태의 전자지도에도 표시될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 기상위성사진 좌표계산방법은, 기상위성이 전송하는 기상사진의 각 화소의 정확한 지구좌표를 산출하므로써 기상사진을 선박의 항해에 이용되는 전자해도등의 전자지도상에 정확하게 표시할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

기상위성수신시스템에 있어서,

(1) 기상위성으로부터 기상사진데이타를 수신하며, 수신된 기상사진의 화소데이타를 라인단위로 저장하는 단계;

(2) 일정시간단위로 현재 위성의 위치를 계산하여 각 라인의 중앙화소에 해당하는 지구상의 위치를 구하는 단계;

(3) 상기 구한 중앙화소의 위치에 근거하여 각 화소의 지구중심각도를 산출하는 단계; 및

(4) 상기 산출된 각 화소의 지구중심각도로부터 수신된 모든 화소들의 지구좌표를 계산하는 단계를 포함하는 기상위성사진 좌표계산방법.
제 1항에 있어서, 상기 제 (3) 단계는

(3a) 각 화소의 스캐닝각도를 산출하는 단계; 및

(3b) 상기 산출된 각 화소의 스캐닝각도 및 위성의 고도를 이용하여 각 화소의 지구 중심각도를 구하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 기상위성사진 좌표계산방법.
제 2항에 있어서, 상기 (3a) 단계는 다음의 식에 근거하여 각 화소의 스캐닝각도(θscan)를 산출하는 것을 특징으로 하는 기상위성사진 좌표계산방법.

θscan[N]=NTIMESθdiff+θoffset

여기서, N은 화소의 배열순서, θdiff는 평균스캐닝각도, θoffset은 수신되는 라인단위 화소데이타들이 라인의 화소들을 일정개 영역으로 나누어 각 영역별로 재샘플링한 경우에 대한 각 영역별 시작각도이다.
제 2항에 있어서, 상기 (3b) 단계는 화소의 중심각도(θrot)가 상기 구한 중앙화소의 위치벡터의 회전량을 의미하므로 다음의 식에 근거하여 구하는 것을 특징으로 하는 기상위성사진 좌표계산방법.

여기서, R은 지구 반지름, H는 위성의 고도이다.
제 1항에 있어서, 상기 제 (4) 단계는 각 화소의 위치벡터(
)가 중앙화소의 위치벡터(
)를 지구를 중심으로 하는 위성의 방향벡터(
)를 축으로 상기 구한 중심각도(θrot)만큼 회전시킨 것이므로 다음의 식에 근거하여 구하는 것을 특징으로 하는 기상위성사진 좌표계산방법.