KR100571120B1 - Three dimentional survey system which use the laser apparatus - Google Patents

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KR100571120B1 KR1020050091027A KR20050091027A KR100571120B1 KR 100571120 B1 KR100571120 B1 KR 100571120B1 KR 1020050091027 A KR1020050091027 A KR 1020050091027A KR 20050091027 A KR20050091027 A KR 20050091027A KR 100571120 B1 KR100571120 B1 KR 100571120B1
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위광재
이승헌
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한진정보통신(주)
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Abstract

본 발명은 레이저 장치를 이용한 3차원 측위 시스템에 관한 것으로서, 대상물의 정지 또는 이동에 관계없이 정확한 위치를 측정하는 GPS; 자이로스코프와 가속도계에 의해 운반체의 회전 각속도와 선형 가속도를 측정하여 운반체의 현재 위치, 속도 및 자세정보를 제공하는 INS; 레이저 파가 대상물에 맞고 되돌아오는 경과시간을 측정하여 거리로 환산하는 레이저 장치; 및 상기 GPS 및 INS를 통해 측정된 항공기의 위치 및 자세정보를 기반으로 외부 표정요소를 산출하고, 상기 레이저 장치를 통해 측정된 거리정보와 상기 외부 표정요소를 기반으로 대상물의 3차원 좌표를 산출하는 컴퓨터; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a three-dimensional positioning system using a laser device, GPS for measuring the exact position irrespective of the stationary or moving object; An INS that measures the rotational angular velocity and the linear acceleration of the vehicle by a gyroscope and an accelerometer to provide current position, velocity, and attitude information of the vehicle; A laser device for measuring an elapsed time of returning the laser wave to the object and converting the distance into a distance; And calculating an external facial expression element based on the position and attitude information of the aircraft measured through the GPS and the INS, and calculating three-dimensional coordinates of the object based on the distance information measured by the laser device and the external facial expression element. computer; Characterized in that it comprises a.

본 발명에 따르면, 종래의 항공사진과 같은 간접방식에서 벗어나 레이저 파를 직접적으로 이용함으로써 복잡한 과정을 거치지 않아 결과 산출의 경비와 시간단축은 물론, 오차의 발생을 최소화하고, 산림 지형에 대한 높이뿐만 아니라 도심의 지형지물에 대한 고출력의 3차원 위치를 수집하고, 공간지리정보의 핵심인 DSM(Digital Surface Model)과 DEM(Digital Elevation Model)을 정확히 생성할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by using a laser wave directly from the indirect method as in the conventional aerial photographs, it does not go through a complicated process, thereby reducing the cost and time of the result calculation, as well as minimizing the occurrence of errors, the height of the forest terrain In addition, it has the effect of collecting high output three-dimensional position of the urban feature, and accurately generating DSM (Digital Surface Model) and DEM (Digital Elevation Model), which are the core of spatial geographic information.

GPS, INS, 칼만 필터링, 외부표정요소 GPS, INS, Kalman Filtering, External Expression

Description

레이저 장치를 이용한 3차원 측위 시스템{Three dimentional survey system which use the laser apparatus}Three-dimensional positioning system using a laser device {Three dimentional survey system which use the laser apparatus}

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 측위 시스템의 장비 구성도.1 is a block diagram of a three-dimensional positioning system according to an embodiment of the present invention.

도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 GPS의 구성요소를 나타내는 도면.2 illustrates the components of a GPS in accordance with an embodiment of the present invention.

도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 GPS를 이용한 대상물의 위치를 측정하는 원리를 나타내는 도면.3 is a view showing a principle for measuring the position of the object using the GPS according to an embodiment of the present invention.

도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 GPS를 이용하여 기지점에 대한 미지점의 상대 위치를 측정하는 원리를 나타내는 도면.4 is a diagram illustrating a principle of measuring a relative position of an unknown point with respect to a known point using GPS according to an embodiment of the present invention.

도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 지상좌표를 3차원 국지좌표로 변환하는 모형을 나타내는 도면.5 is a view showing a model for converting the ground coordinates to three-dimensional local coordinates according to an embodiment of the present invention.

도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 INS의 구성요소를 나타내는 도면.6 illustrates the components of an INS in accordance with one embodiment of the present invention.

도 7 은 본 발명의 일실시예에 따른 GPS와 INS가 통합된 H-GPS(Hybrid GPS)의 블록도.7 is a block diagram of H-GPS (Hybrid GPS) incorporating GPS and INS according to an embodiment of the present invention.

도 8 은 본 발명의 일실실예에 따른 H-GPS에 있어서의 약결합 방식을 보여주는 블록도. Figure 8 is a block diagram showing a weak coupling scheme in H-GPS according to an embodiment of the present invention.

도 9 는 본 발명의 일실시예에 따른 H-GPS에 있어서의 강결합 방식을 보여주는 블록도.9 is a block diagram showing a strong coupling scheme in H-GPS according to an embodiment of the present invention.

도 10 은 본 발명의 일실시에에 따른 레이저 파의 확산 각을 나타내는 도면.10 is a view showing a diffusion angle of a laser wave according to an embodiment of the present invention.

도 11 은 본 발명의 일실시예에 따른 반사거울을 이용한 레이저 파의 주사를 나타내는 도면.11 is a view showing scanning of a laser wave using a reflecting mirror according to an embodiment of the present invention.

도 12 는 본 발명의 일실시예에 따른 탑재된 항공 센서 데이터의 흐름도.12 is a flow chart of onboard aerial sensor data in accordance with an embodiment of the present invention.

도 13 은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 좌표값을 얻기 위한 데이터 처리도. 13 is a data processing diagram for obtaining a three-dimensional coordinate value according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 3차원 측위 시스템으로서, 더욱 상세하게는 항공기에 위성 항법장치(GPS)와 관성 항법장치(INS) 및 레이저 장치를 탑재하여 지상의 지형지물의 3차원 좌표를 측량하기 위한 레이저 장치를 이용한 3차원 측위 시스템에 관한 것이다. The present invention is a three-dimensional positioning system, and more specifically, using a laser device for surveying three-dimensional coordinates of the ground feature by mounting a GPS, inertial navigation (INS) and a laser device on the aircraft A dimensional positioning system.

종래 3차원 측위 시스템과 관련해서는 대한민국 특허공고 제2003-0005749호 '3차원 위치 측정장치 및 그 방법'(이하, '선행특허'라고 한다.) 이외에 다수 출원된 상태이다.In relation to the conventional three-dimensional positioning system, a number of applications have been filed in addition to the Republic of Korea Patent Publication No. 2003-0005749 'three-dimensional position measuring apparatus and method thereof (hereinafter referred to as' prior patent').

상기 선행특허는 운반 수단에 부착된 복수의 디지털 카메라를 각각으로부터 대상물들 각각에 대한 광학 영상 정보들을 획득하는 단계와, 수집된 상기 영상들 각각을 전기적인 신호로 처리하고 처리된 상기 신호들 각각을 저장하는 단계와, 저장된 상기 신호들 각각으로부터 정지영상을 절취하는 단계와, 상기 정지영상을 각 프레임별로 좌측과 우측의 정지영상으로 세분하는 단계와, 수치사진측량기법을 이 용하여 상기 각 프레임별 좌측과 우측 정지영상의 특징을 추출하여 정합하는 단계와, 상기 정합된 영상을 이용하여 상기 대상물들의 외부표정요소를 각각 결정하는 단계와, 상기 결정된 외부표정요소를 이용하여 상기 대상물들의 3차원 지상좌표를 각각 결정하는 단계 및 좌표변환 알고리즘을 이용하여 상기 지상좌표를 국지좌표로 변환하되, 상기 변환시에 관성 항법 시스템과 인공위성을 이용한 자동 위치 측정 시스템을 매개변수로 도입하여 상기 대상물들에 대응하는 각각의 상기 국지좌표 및 상기 영상 정보를 데이터베이스화하는 단계를 포함한다.The prior patent discloses obtaining optical image information for each of the objects from each of a plurality of digital cameras attached to a conveying means, processing each of the collected images as an electrical signal, and processing each of the processed signals. Storing the image; cutting the still image from each of the stored signals; subdividing the still image into left and right still images for each frame; and using a digital photogrammetry technique, And extracting and matching features of the right still image, determining external markers of the target objects using the matched image, and using the determined external markers to determine three-dimensional ground coordinates of the target targets. The above ground coordinates are converted into local coordinates by using a step of determining and a coordinate transformation algorithm, respectively. The introduction of an inertial navigation system and a positioning system using artificial satellites in each of the conversion as a parameter corresponding to the object to the local coordinates, and a step of databasing the image information.

그러나, 상기 선행특허는 위성 영상을 이용하여 영상처리, 지상기준점 측량, 인화, 도화 등에 많은 시간과 비용이 소요되는 문제점이 있었다.However, the prior patent has a problem that takes a lot of time and cost, such as image processing, ground control point surveying, printing, drawing using a satellite image.

그리고, 상기 선행특허는 여러 단계에 걸쳐 작업하므로 오차 발생의 소지가 많고 산악지대 및 도심의 빌딩에 대한 정확한 표고 산출이 어렵다는 문제점도 있었다.In addition, since the prior patent works in several steps, there is a lot of error occurs, and there is a problem that it is difficult to calculate the exact elevation for buildings in mountainous areas and downtown.

본 발명의 목적은, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 복잡한 과정을 거치지 않고 레이저 장치와 GPS 및 INS를 이용하여 3차원 결과를 보여주는 시스템을 제공함에 있다.An object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a system for displaying three-dimensional results using a laser device, GPS and INS without going through a complicated process.

본 발명의 다른 목적은, 레이저 장치와 GPS 및 INS를 이용하여 직접 처리함으로써 오차의 발생을 최소화하고, 항공기의 위치와 자세정보를 연계하여 지상 대상물에 대한 3차원 좌표를 측정하는 시스템을 제공함에도 있다.Another object of the present invention is to provide a system for minimizing the occurrence of errors by directly processing using a laser device and GPS and INS, and measuring three-dimensional coordinates of ground objects by linking the position and attitude information of the aircraft. .

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 레이저 장치를 이용한 3차원 측위 시스템에 관한 것으로서, 대상물의 정지 또는 이동에 관계없이 정확한 위치를 측정하는 GPS; 자이로스코프와 가속도계에 의해 운반체의 회전 각속도와 선형 가속도를 측정하여 운반체의 현재 위치, 속도 및 자세정보를 제공하는 INS; 레이저 파가 대상물에 맞고 되돌아오는 경과시간을 측정하여 거리로 환산하는 레이저 장치; 및 상기 GPS 및 INS를 통해 측정된 항공기의 위치 및 자세정보를 기반으로 외부 표정요소를 산출하고, 상기 레이저 장치를 통해 측정된 거리정보와 상기 외부 표정요소를 기반으로 대상물의 3차원 좌표를 산출하는 컴퓨터; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object relates to a three-dimensional positioning system using a laser device, GPS for measuring the exact position irrespective of the stationary or moving of the object; An INS that measures the rotational angular velocity and the linear acceleration of the vehicle by a gyroscope and an accelerometer to provide current position, velocity, and attitude information of the vehicle; A laser device for measuring an elapsed time of returning the laser wave to the object and converting the distance into a distance; And calculating an external facial expression element based on the position and attitude information of the aircraft measured through the GPS and the INS, and calculating three-dimensional coordinates of the object based on the distance information measured by the laser device and the external facial expression element. computer; Characterized in that it comprises a.

그리고 바람직하게 상기 컴퓨터는 칼만 필터링 기법에 의해 GPS와 INS의 정보를 통합하여, 레이저 파가 발사된 시점에 대한 외부 표정요소를 산출하는 것을 특징으로 한다.And preferably, the computer integrates the GPS and INS information by Kalman filtering to calculate an external facial expression for the point at which the laser wave was fired.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 3차원 측위 시스템의 장비 구성은 도 1 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Equipment configuration of the three-dimensional positioning system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 1 에 도시된 바와 같이, 3차원 측위 시스템은 GPS(10), INS(20), 컴퓨터(30) 및 레이저 장치(40)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the three-dimensional positioning system includes a GPS 10, an INS 20, a computer 30, and a laser device 40.

GPS(10)는 범지구적 위치 결정 체계라 할 수 있는 인공위성 자동 위치 측정 시스템으로서, 대상물의 정지 또는 이동에 관계없이 정확한 위치를 측정하는 기능을 수행한다.The GPS 10 is an automatic satellite positioning system, which can be referred to as a global positioning system, and performs a function of measuring an accurate position regardless of a stationary or moving object.

INS(20)는 관성센서라 불리는 자이로스코프와 가속도계에 의해 운반체의 회전 각속도와 선형 가속도를 측정하고 이들 출력을 이용하여 외부의 도움없이 기준 항법 좌표계에 대한 운반체의 현재 위치, 속도 및 자세 정보를 제공하는 기능을 수행한다.The INS 20 measures the rotational angular velocity and linear acceleration of the vehicle by means of a gyroscope and an accelerometer called an inertial sensor and uses these outputs to provide the vehicle's current position, velocity and attitude information with respect to the reference navigation coordinate system without external assistance. It performs the function.

컴퓨터(30)는 비행 중 GPS와 INS 및 레이저 장치 각각의 센서에서 나오는 신호를 수신하여 저장하는 기능을 수행한다.The computer 30 performs a function of receiving and storing signals from the GPS, the INS, and the sensors of the laser devices during the flight.

레이저 장치(40)는 항공기에서 쏘아진 파장이 아주 짧은 레이저 파가 지상의 대상물에 맞고 되돌아오는 경과시간을 측정하여, (레이저의 속도×경과시간)/2의 식을 이용하여 시간을 거리로 환산하는 기능을 수행한다.The laser device 40 measures the elapsed time that the laser wave shot from the aircraft has a very short wavelength and returns to the ground object, and converts the time into a distance by using the formula (speed of laser x elapsed time) / 2. It performs the function.

도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 GPS의 구성 요소들을 보여주는 도면이다. 2 is a diagram illustrating components of a GPS according to an embodiment of the present invention.

도 2 에 도시된 바와 같이, GPS는 우주부분(50)과 제어부분(60) 및 사용자 부분(70)으로 구성된다.As shown in FIG. 2, the GPS is composed of a space part 50, a control part 60, and a user part 70.

우주부분(50)은 위치 계산을 위해 필요한 항법 메시지를 반송파를 통하여 연속적으로 사용자에게 전송하는 GPS 위성으로 구성되어 있다. 반송파는 L 대역의 두 주파수 L1(1575.42MHz), L2 (1227.6MHz)로 사용자에게 전송된다.The space portion 50 is composed of GPS satellites that continuously transmit navigation messages required for position calculation to a user through a carrier wave. The carrier is transmitted to the user in two frequencies L1 (1575.42MHz) and L2 (1227.6MHz) in the L band.

상기 GPS 위성은 총 24개로서 그 중 3개는 예비위성으로 구성되어 있다. 위 성은 지구표면으로부터 약 20,200Km 상공에 위치해 있으며, 위성의 궤도는 적도와 55°기울기로 총 6개의 궤도면을 가지고 있고, 각 궤도면에는 4개에서 5개의 위성이 배치되어 공전주기가 11시간 58분으로 하루에 2번씩 지구 주위를 회전하고 있다. 각 위성은 세슘 원자시계 2대, 루비듐 원자시계 2대를 탑재하고 있다.There are a total of 24 GPS satellites, three of which are configured as reserve satellites. The satellite is located about 20,200 km above the Earth's surface, and the satellite's orbit has a total of six orbits at the equator and 55 ° tilt, with four to five satellites placed on each orbit, with an orbital period of 11 hours. It is spinning around the earth twice a day for 58 minutes. Each satellite is equipped with two cesium atomic clocks and two rubidium atomic clocks.

제어부분(60)은 세계 각지에 널리 분포해 있는 여러 관제국을 통해 GPS 위성을 추적하고 감시함으로써 가능한 한 정확하게 위성의 위치를 추정하며 여러가지 보정 정보를 위성에 송신하며 이러한 보정 정보를 항법 데이터의 한 부분으로서 연속적으로 사용자에게 전송한다. The control part 60 tracks and monitors the GPS satellites through various control stations widely distributed around the world, estimates the position of the satellites as accurately as possible, and transmits various correction information to the satellites. As part of the transmission to the user continuously.

사용자 부분(70)은 사용자 부분은 GPS 위성 신호를 수신하여 위치를 계산하는 1개 이상의 수신기를 필수적으로 구비하고 있으며, 이를 응용하여 각각의 특정한 목적을 달성하기 위해 개발된 다양한 장치로 구성된다.The user portion 70 is essentially provided with one or more receivers for receiving the GPS satellite signals and calculating the position, and is composed of various devices developed to achieve each specific purpose by applying this.

GPS의 위치결정 원리를 간단하게 설명하면 다음과 같다.GPS positioning principle is briefly described as follows.

GPS는 추적된 궤도에 의해서 정확한 위치를 알고 있는 위성에서 발신하는 전파를 수신하여 위성에서 관측점까지의 전파 도달시간을 측정하여 관측점의 공간적 위치를 알아낸다. GPS receives the radio waves from satellites that know the exact location by tracked orbit, and measures the time of arrival of the satellites from the satellites to determine the spatial location of the viewpoints.

GPS 위성은 원자 시계를 탑재하고 있어, 위성에 탑재된 시계와 수신기의 시계가 정확히 일치한다면, 3개의 위성과의 거리만으로도 3차원적인 위치를 결정할 수 있다. GPS 위성에 탑재된 원자시계는 매우 고가이고, 수신기에는 저가의 비교적 정도가 낮은 시계를 사용하고 있으며, 4개의 위성에서 전파를 수신하여 위성 시각과 수신기 시각에서 발생하는 미지의 시간차를 제거하게 된다. GPS satellites have an atomic clock, so if the clock on the satellite and the clock on the receiver are exactly the same, the distance from the three satellites can determine the three-dimensional position. Atomic clocks on GPS satellites are very expensive, and receivers use inexpensive, relatively inexpensive clocks, and receive radio waves from four satellites to eliminate the unknown time difference between satellite and receiver time.

GPS가 3차원적인 위치를 결정하기 위해서는 위치 미지수 3개(X,Y,Z)와 위성과 수신기의 시계오차 미지수 1개(

Figure 112005054959393-pat00001
)로 이루어지는 총 4개의 미지량을 결정해야 하는데, 이를 해결하기 위해 최소한 4개 이상의 위성을 확보하여야 한다.In order to determine the three-dimensional position of GPS, three position unknowns (X, Y, Z) and one clock error unknown for satellite and receiver (
Figure 112005054959393-pat00001
A total of four unknowns should be determined, which requires at least four satellites to resolve.

상술한 바와 같은 위치결정 원리로부터 위성 신호를 통해 얻은 지구중심으로부터 위성까지의 벡터(Ui)와 위성 신호로부터 지상의 수신기가 받은 수신기에서 위성까지의 거리벡터(ri)로 지구중심에서 측점까지의 위치벡터(Rp)를 계산한다.From the above-described positioning principle, the earth center to the station is a vector from the earth center to the satellite (U i ) obtained through the satellite signal and the distance vector (r i ) from the receiver to the satellite received from the satellite signal from the satellite signal. Calculate the position vector of R p .

도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 GPS를 이용한 대상물의 위치를 측정하는 원리를 보여주는 도면이다.3 is a view showing a principle for measuring the position of the object using GPS according to an embodiment of the present invention.

도 3 에 도시된 바와 같이, 4개의 위성 (80), (90), (100), (110)에서 지표 위의 한 점 P까지의 거리가 동시에 관측되어 P점의 좌표(Xp, Yp, Zp)를 구할 수 있다.As shown in FIG. 3, the distance from four satellites 80, 90, 100, and 110 to a point P on the earth is simultaneously observed to determine the coordinates of point P (Xp, Yp, Zp). ) Can be obtained.

즉, 일반식That is, general formula

Figure 112005054959393-pat00002
으로부터
Figure 112005054959393-pat00002
From

Figure 112005054959393-pat00003
Figure 112005054959393-pat00003

여기서, ri:위성과 측점까지의 거리 ri= V ×Δti (V:전파속도, Δti:전파도달시간)Where r i : distance to satellite and station r i = V × Δt i (V: Propagation Speed, Δt i: Propagation Time)

Xi, Yi, Zi: 위성의 3차원 위치X i , Y i , Z i : three-dimensional position of the satellite

Xn, Yn, Zn : 구하고자 하는 측점의 위치X n , Y n , Z n : the position of the station to find

Figure 112005054959393-pat00004
: 위성과 수신기의 시계오차가 얻어지고, 이것으로부터 측점 P의 좌표(X,Y,Z)를 간단히 계산할 수 있다.
Figure 112005054959393-pat00004
The clock error of the satellite and the receiver is obtained, and the coordinates (X, Y, Z) of the station P can be simply calculated from this.

한편, GPS에 의한 위치결정의 오차원인에는 위성의 원자시계의 안정도, 위성궤도의 예측치의 정확도, 전리층의 전파지연, 대류권의 전파지연, 수신장치의 잡음 그리고 수신장치의 Channel 수 등이 있다. 일반적으로 알려져 있는 정확도는 1대의 수신기로 측정되는 절대위치의 경우에 C/A코드 사용시 100m, P코드 사용시 10m 정도이고, 2대 이상의 수신기로 측정되는 상대 위치의 경우에는 수십 Km 이상의 거리에서 cm 단위의 오차가 발생하여 10- 6 의 높은 정확도를 갖게 된다.On the other hand, the fifth dimension of positioning by GPS includes the stability of the satellite atomic clock, the accuracy of the predicted satellite orbit, the propagation delay of the ionosphere, the propagation delay of the troposphere, the noise of the receiver, and the number of channels of the receiver. Generally known accuracy is about 100m when using C / A code and about 10m when using P code for absolute position measured by one receiver. and the error occurs 10 will have a high degree of accuracy 6.

도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 GPS를 이용하여 기지점에 대한 미지점의 상대 위치를 측정하는 원리를 보여주는 도면이다.4 is a diagram illustrating a principle of measuring a relative position of an unknown point with respect to a known point using GPS according to an embodiment of the present invention.

GPS를 이용한 위치 측정법에는 한 대의 수신기를 사용하는 1점 위치측정법과 2대 이상의 수신기를 사용하는 상대 위치측정법이 있다.GPS positioning methods include one-point positioning using one receiver and relative positioning using two or more receivers.

도 4 에 도시된 바와 같이, 상대 위치측정법은 위성에서 발신하는 반송파를 여러 개의 수신기에서 수신하고 반송파 또는 코드의 위상을 측정하여 전파도달 시각의 차를 측정하는 방식으로써, 위치를 알고 있는 지점으로부터 위치를 알고자 하는 지점까지의 벡터를 구하여 위치를 구하며, 기지점에 수신기를 설치하고 미지점의 수신기와 양쪽에서 받은 위성정보를 비교 분석하여 위치를 계산한다. As shown in FIG. 4, relative positioning is a method of measuring a difference in radio wave arrival time by receiving a carrier wave transmitted from a satellite at a plurality of receivers and measuring a phase of a carrier wave or a code. Find the position by obtaining the vector to the point where we want to know the position, install the receiver at the known point, and calculate the position by comparing and analyzing the satellite information received from both the receiver and the unknown point.

1점 위치 측정법은 주로 자동차, 항공기 및 인공위성과 같은 고속 운동체의 위치결정과, 해상위치 등과 같이 비교적 낮은 위치 정확도를 필요로 하는 경우에 사용된다. One-point positioning is mainly used for the positioning of high-speed moving objects such as automobiles, aircrafts and satellites, and for relatively low positional accuracy such as sea position.

도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 지상좌표를 3차원 국지좌표로 변환하는 모형을 보여주는 도면이다.5 is a view showing a model for converting the ground coordinates to three-dimensional local coordinates according to an embodiment of the present invention.

좌표 변환은 실시간 측량 시스템의 상호표정 및 절대표정을 위한 가장 기본적인 부분으로서, WGS-84 좌표계 상의 좌표로 얻어진 결과를 여러 가지 좌표로의 변환이 필요하다.Coordinate transformations are the most fundamental part of mutual and absolute representations of real-time survey systems, and the results obtained from coordinates on the WGS-84 coordinate system need to be converted to various coordinates.

지구 좌표 변환에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.The global coordinate transformation is described in detail as follows.

GPS에 의한 결과값은 WGS-84 타원체 상의 값으로 나타낸다. 어느 한 점에 대한 경위도 고도 좌표는 3차원 직교 좌표계상으로 식 (A), (B), (C)와 같이 표현된다.The result by GPS is represented by the value on the WGS-84 ellipsoid. The latitude and longitude elevation coordinates for any one point are expressed in equation (A), (B), (C) on a three-dimensional rectangular coordinate system.

X = (N+H)cosψ cosλ ..... (A)X = (N + H) cosψ cosλ ..... (A)

Y = (N+H)cosψ sinλ ..... (B)Y = (N + H) cosψ sinλ ..... (B)

Z = {N(1-e2)+H} sinλ ..... (C)Z = {N (1-e 2 ) + H} sinλ ..... (C)

여기서, e2 = (a2 - b2 )/a2, a : 타원체의 장반경, b : 타원체의 단반경이다.Here, e 2 = (a 2 -b 2 ) / a 2 , a: long radius of the ellipsoid, b: short radius of the ellipsoid.

Figure 112005054959393-pat00005
: 모유선의 곡률반경이다.
Figure 112005054959393-pat00005
: The radius of curvature of the mother wire.

반대로, 어느 한 점의 3차원 직교좌표는 식 (D), (E), (F)를 통해 경위도 좌표계로 바뀐다.In contrast, the three-dimensional rectangular coordinates of a point are converted into longitude and latitude coordinate systems through equations (D), (E), and (F).

Figure 112005054959393-pat00006
..... (D)
Figure 112005054959393-pat00006
..... (D)

Figure 112005054959393-pat00007
..... (E)
Figure 112005054959393-pat00007
..... (E)

Figure 112005054959393-pat00008
..... (F)
Figure 112005054959393-pat00008
..... (F)

여기서, here,

Figure 112005054959393-pat00009
Figure 112005054959393-pat00009

(e')2 = (a2 - b2 )/b2 , (e ') 2 = (a 2 -b 2 ) / b 2 ,

Figure 112005054959393-pat00010
Figure 112005054959393-pat00010

WGS-84를 대한민국에서 사용하는 Bessel 타원체로 투영변환하는 것은 두 기준계 상의 위성 관측점에 대한 WGS-84 및 Bessel 좌표의 측지 좌표성분의 편차량을 Molodensky 변환식으로부터 도출하고, 이를 보정하여 두 측지측량계 간의 변환을 수행함을 의미한다. 서로 다른 두 타원체 간의 측지 좌표성분의 편차량을 구하는 식은 식 (G), (H), (I)와 같다.Projection conversion of the WGS-84 to the Bessel ellipsoid used in South Korea derives the deviations of the geodesic coordinate components of the WGS-84 and Bessel coordinates for the satellite observation points on the two reference systems from the Molodensky transformation equation and corrects them. Means to perform the conversion. The equation for calculating the amount of deviation of geodetic coordinate components between two different ellipsoids is shown in equations (G), (H) and (I).

Figure 112005054959393-pat00011
..... (G)
Figure 112005054959393-pat00011
..... (G)

Figure 112005054959393-pat00012
..... (H)
Figure 112005054959393-pat00012
..... (H)

Figure 112005054959393-pat00013
..... (I)
Figure 112005054959393-pat00013
..... (I)

여기서, Δψ, Δλ, ΔH는 입력 타원체와 변환된 타원체 간의 측지 좌표성분의 편차량으로 출력-입력으로 단위는 초이다. Here, Δψ, Δλ, ΔH are deviations of the geodetic coordinate components between the input ellipsoid and the transformed ellipsoid, and the output-input unit is seconds.

ΔX, ΔY, ΔZ : 입력 타원체와 변환된 타원체의 타원체 원점 이동량ΔX, ΔY, ΔZ: Ellipsoid origin shift amount of input ellipsoid and transformed ellipsoid

a : 입력 타원체의 장반경a: long radius of the input ellipsoid

f : 입력 타원체의 flatteningf: flattening of input ellipsoid

Δa, Δf : 입력 타원체와 변환 타원체 매개변수의 차이Δa, Δf: Difference between input ellipsoid and transform ellipsoid parameters

e : ecentricitye: ecentricity

e2 : 2f-f2 e 2 : 2f-f 2

Figure 112005054959393-pat00014
Figure 112005054959393-pat00014

Figure 112005054959393-pat00015
Figure 112005054959393-pat00015

Figure 112005054959393-pat00016
Figure 112005054959393-pat00016

평면 직교좌표계를 경위도 좌표계로 바꾸기 위해 평면직교좌표 원점의 경위 도좌표 (λ00 ), 선축척계수 S0=0.9999를 썼을 때의 평면직교좌표(XN , YE ), 자오선과 모유선의 곡률반경을 각각 R1 , N1 이라 하면, 구하는 점의 경도λ, 위도ψ 및 진북 방위각(또는 자오선수차) γ는 식 (J), (K), (L)으로 주어진다.Plane Inspector of the plane rectangular coordinate origin in order to replace the orthogonal coordinate system by latitude and longitude coordinate system also coordinates (λ 0, ψ 0), the line scale factor S 0 = flat Cartesian coordinates at the time spent to 0.9999 (X N, Y E) , the meridian and milk, If the radius of curvature of the line as each of R 1, N 1, to obtain points of longitude λ, ψ latitude and true north azimuth (or meridional aberrations) γ is given by the formula (J), (K), (L).

Figure 112005054959393-pat00017
... (J)
Figure 112005054959393-pat00017
... (J)

Figure 112005054959393-pat00018
... (K)
Figure 112005054959393-pat00018
... (K)

Figure 112005054959393-pat00019
... (L)
Figure 112005054959393-pat00019
... (L)

여기서, ρ= 206264.806247″, η1= e'2cos2ψ1 (e'2 : 제 2 이심률), Where ρ = 206264.806247 ″, η 1 = e ' 2 cos 2 ψ 1 (e' 2 : Second eccentricity),

ψ1 : 구하는 점에서 좌표원점을 지나는 자오선에 내린 수선의 발의 위도로써 식 (M)을 이용해 반복 계산하여 구한다.ψ 1 : The latitude of the foot of the waterline at the meridian passing through the coordinate origin at the point to be found.

만일 ψ1의 추정값과 ψn이 주어지면, 이로부터 Bψ를 구한다든가, ψn+1을 계산한다. 이 계산은 ψn+1 - ψn 〈 2″×10- 5 를 만족할 때까지 반복하여 그 때의 ψn+1을 ψ1로 한다.Given the estimated value of ψ 1 and ψ n , obtain Bψ from it or calculate ψ n + 1 . This computation ψ n + 1 - is the ψ n + 1 at that time to ψ 1 is repeated until a satisfactory 5 - ψ n <2 "× 10.

Figure 112005054959393-pat00020
..... (M)
Figure 112005054959393-pat00020
..... (M)

B ψ = 적도로부터 ψ1 까지의 자오선 호의 길이, 경위도좌표(λ,ψ)인 어느 지점의 (XN , YE ) 좌표 및 자오선수차 γ, 축척계수 S는 다음 식 (N), (O)들로부터 구해진다.B ψ = length of the meridian arc from the equator to ψ 1 , the (X N , Y E ) coordinates at any point in the latitude and longitude coordinates (λ, ψ) Obtained from the fields

Figure 112005054959393-pat00021
로 놓으면
Figure 112005054959393-pat00021
If you put it

Figure 112005054959393-pat00022
..... (N)
Figure 112005054959393-pat00022
..... (N)

Figure 112005054959393-pat00023
..... (O) 이다.
Figure 112005054959393-pat00023
..... (O).

여기서,here,

Figure 112005054959393-pat00024
Figure 112005054959393-pat00024

계속해서, 7-매개변수를 이용한 좌표변환에 대하여 살펴본다.Next, we look at coordinate transformation using 7-parameters.

7-매개변수법(7-Parameters Method)은 최소제곱법을 이용하여 7 개의 변환매개변수를 산정함으로써 서로 다른 두 직교 좌표계 간의 변환을 수행하는 방법이다. The 7-Parameters Method is a method of performing a transformation between two different Cartesian coordinate systems by calculating seven transform parameters using the least squares method.

도 5 에 도시된 바와 같이, 변환되어야 할 좌표로 나타나는 좌표계(XGP)와 변환할 좌표로 나타나는 좌표계(Xth)간의 변환방정식은 Helmert 변환을 이용하여 식 (P)와 같이 구성할 수 있다.As illustrated in FIG. 5, a conversion equation between the coordinate system X GP represented by the coordinates to be converted and the coordinate system X th represented by the coordinates to be converted may be configured as in Equation (P) using a Helmert transformation.

여기서 α1 , α2 , α3 는 각각 X축, Y축, Z축 방향의 회전을 나타낸다.Α 1 , α 2 and α 3 represent rotations in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, respectively.

XGP = S·R·Xth +Δ ..... (P)X GP = S.R.X th + Δ ..... (P)

여기서, XGP =[XGP , YGP , ZGP]T, Xth =[Xth, Yth, Zth]T,Δ 는 두 좌표계 원점의 평행이동 량으로 [ΔXΔYΔZ]T와 같고, R은 두 좌표계 간의 회전행렬이다. 상기 식 (P)을 구체적으로 나타내면 식 (Q)과 같다.Where X GP = [X GP , Y GP , Z GP ] T , X th = [X th , Y th , Z th ] T , Δ is the amount of parallel movement of the origin of two coordinate systems, equal to [ΔXΔYΔZ] T , and R Is the rotation matrix between two coordinate systems. Formula (P) is specifically shown as Formula (Q).

Figure 112005054959393-pat00025
..... (Q)
Figure 112005054959393-pat00025
..... (Q)

여기서, XGP , YGP , ZGP : 변환된 좌표, Where X GP , Y GP , Z GP : transformed coordinates,

Xth , Yth , Zth : 변환할 좌표X th , Y th , Z th : Coordinates to convert

S : 축척계수S: scale factor

γ 11 , γ 12 , ··· , γ 33 : 회전행렬계수γ 11, γ 12,..., γ 33: rotation matrix coefficient

ΔX, ΔY, ΔZ : 평행이동량이다.ΔX, ΔY, ΔZ: The amount of parallel movement.

또한, 회전행렬 R의 구성요소는 식 (R)과 같다.In addition, the components of the rotation matrix R are the same as in the formula (R).

Figure 112005054959393-pat00026
..... (R)
Figure 112005054959393-pat00026
..... (R)

여기서, ω, φ, x 는 X, Y, Z축에서의 회전각을 의미하고, 회전행렬은 정방 행렬이므로 R·RT= 1 이다.Here, ω, φ, and x denote rotation angles on the X, Y, and Z axes, and the rotation matrix is a square matrix, so that R · R T = 1.

F(X) = S·R·Xth + ΔX-XGP = 0 ..... (S)F (X) = S.R.X th + ΔX-X GP = 0 ..... (S)

식 (S)는 비선형 함수이므로 Taylor 급수를 이용하여 선형화하고 1차항까지 취하면 식 (T)와 같이 선형화된 방정식이 구성된다.Equation (S) is a nonlinear function, so linearize it using the Taylor series and take up to the first term to form a linearized equation as shown in equation (T).

Figure 112005054959393-pat00027
..... (T)
Figure 112005054959393-pat00027
..... (T)

Figure 112005054959393-pat00028
..... (U)
Figure 112005054959393-pat00028
..... (U)

식 (T)에서 X0 는 7-매개변수의 초기 근사값이며 dX는 X0 에 대한 보정값이다. 또한 X는 7-매개변수이다. 식 (U)를 이용하여 조건방정식을 구성하고 행렬식으로 나타내면 식 (V)와 같다.X 0 in formula (T) Is the initial approximation of the 7-parameter and dX is the correction for X 0 . X is also a 7-parameter. The conditional equation is constructed using equation (U) and expressed as a determinant.

AV+BΔ+f= 0 ..... (V)AV + BΔ + f = 0 ..... (V)

여기서, A = I, V = [VthVGP]T,Where A = I, V = [V th V GP ] T ,

Figure 112005054959393-pat00029
Figure 112005054959393-pat00029

Δ = [ΔωΔφΔxΔX0ΔY0ΔZ0]T Δ = [ΔωΔφΔxΔX 0 ΔY 0 ΔZ 0 ] T

Δω,Δφ,Δx : 회전요소에 대한 보정량Δω, Δφ, Δx: Correction amount for rotating element

ΔX0 , ΔY0 , ΔZ0 : 평행이동에 대한 보정량이다.ΔX 0 , ΔY 0 , ΔZ 0 : Correction amount for parallel movement.

I개 측점에 대하여, 단위경중률 (P=I)로 가정하고 식 (V)를 해석하면 7 개 변환요소의 보정량을 산출할 수 있다.For I points, assuming the unit weight ratio (P = I) and interpreting equation (V), the correction amount of the seven transform elements can be calculated.

Δ = [Σ(BTBi)]-1[Σ(BTFi)] ..... (W)Δ = [Σ (B T B i )] -1 [Σ (B T F i )] ..... (W)

또한, 여인수 행렬(cofactor matrix) Qc 는 다음과 같이 구성된다.In addition, the cofactor matrix Qc is configured as follows.

Qc = ATPA = AT A = (1+S0 2 )I Qc = A T PA = A T A = (1 + S 0 2 ) I

또한, 행렬 Qdd는 여인수 행렬의 역행렬이므로 식 (X)와 같다.In addition, since matrix Q dd is an inverse of the matrix of the arguments, it is the same as equation (X).

Qdd = Qc -1 = (1+S0 2)[Σ(Bi TBi)]-1 .....(X)Q dd = Q c -1 = (1 + S 0 2 ) [Σ (B i T B i )] -1 ..... (X)

따라서, 7 개의 변환 매개변수인 ΔX, ΔY, ΔZ, ω, φ, x, S를 알면 서로 다른 두 좌표계 상의 좌표를 변환할 수 있다.Therefore, knowing the seven conversion parameters ΔX, ΔY, ΔZ, ω, φ, x, S can transform the coordinates on two different coordinate systems.

도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 INS의 구성요소를 보여주는 도면이다.6 is a view showing the components of the INS according to an embodiment of the present invention.

도 6 에 도시된 바와 같이, INS는 항체의 회전 각속도를 측정하는 자이로스코프와 선형가속도를 측정하는 가속도계로 이루어진 센서부(21)와, 항법프로그램을 수행하는 항법 컴퓨터부(22)로 구성된다.As shown in FIG. 6, the INS is composed of a sensor unit 21 consisting of a gyroscope for measuring the rotational angular velocity of the antibody, an accelerometer for measuring the linear acceleration, and a navigation computer unit 22 for performing a navigation program.

자이로스코프는 INS의 성능을 좌우하는 가장 핵심적인 센서로서, 지구의 회전을 보는 물건이란 의미이며 일반적으로 자이로(Gyro)라고 불린다. 상기 자이로는 크게 세차(Precession)를 이용한 회전식 자이로와, 콜리올리힘을 이용한 진동식 자이로 및 새그낵(sagnac) 효과를 이용한 광학 자이로 등이 있다.The gyroscope is the most important sensor that determines the performance of the INS. It is the object that sees the rotation of the earth and is commonly called the gyro. The gyro may include a rotary gyro using precession, an oscillating gyro using coliolihim, and an optical gyro using a sagnac effect.

자이로는 회전축을 중심으로 고속으로 회전하고 있는 회전자(Rotor)를 안정 지지대(Gimbal)가 지지하는 구조로 이루어져 있다. 직교하는 두 개의 축 주위를 안정지지대가 지지하는 자이로를 2축 자유도 자이로라고 하고, 두 개의 축 주위에 마찰과 불균형 등으로 인한 비틀림 모멘트가 존재하지 않는 회전자를 장착한 자이로를 자유 자이로라고 한다. 1축 자유도 자이로는 회전축 이외에 한 개의 출력축과 한 개의 입력축을 가지며, 세 개의 축은 서로 직교한다.The gyro has a structure in which a stable support (Gimbal) supports a rotor that is rotating at a high speed about a rotation axis. A gyro supported by a stable support around two orthogonal axes is called a two-axis degree of freedom gyro, and a gyro equipped with a rotor that does not have a torsional moment due to friction and imbalance, is called a free gyro around two axes. . In addition to the rotation axis, the one-axis degree of freedom gyro has one output shaft and one input shaft, and the three axes are perpendicular to each other.

진동 자이로에는 회전자가 존재하지 않기 때문에 수명이 길고 작동에 필요한 준비시간이 짧다는 장점이 있지만 온도에 의한 양력이 크다는 단점이 있다.Vibration gyro has the advantage of long life and short preparation time for operation because there is no rotor, but has a disadvantage of large lift by temperature.

광학 자이로는 원형광로가 회전할 때 분절된 광선들이 약간의 시간차를 두고 모이게 될 때 발생하는 경로차를 나타내는 시그낵 효과를 이용한다.The optical gyro uses the Signac effect, which represents the path difference that occurs when the segmented rays converge at a slight time difference as the circular path rotates.

광로의 굴절률은 1로 가정한다. 자이로가 각속도 ω로 회전하는 경우, 한 지점에서 입사한 두 개의 빛이 원형 광로를 따라서 서로 반대방향으로 한 바퀴 회전하는데 필요한 시간차 Δt 는 식 (Y)와 같다.The refractive index of the optical path is assumed to be 1. In the case where the gyro rotates at an angular velocity ω, the time difference Δt required for the two lights incident at one point to rotate one turn in the opposite direction along the circular optical path is represented by equation (Y).

Δt = tcw - tccw = 4πR2ω/(C2-R2ω2) ..... (Y)Δt = t cw -t ccw = 4πR 2 ω / (C 2 -R 2 ω 2 ) ..... (Y)

여기서, C는 광속도이고 C >> Rω 이다. 또한 S는 원형 광로가 둘러싼 면적이다. 식 (Y)의 Δt 를 이용한 광로차 ΔL 은 식 (Z)과 같다.Where C is the speed of light and C >> Rω. S is the area surrounded by the circular light path. The optical path difference ΔL using Δt of formula (Y) is the same as that of formula (Z).

ΔL = CΔt = 4S/Cω ..... (Z)ΔL = CΔt = 4S / Cω ..... (Z)

가속도계는 단위 질량을 가속하는데 필요한 힘(specific force)을 관측하는 장비로, 가속도계를 장착한 탑재기의 가속도를 관측할 때 물체의 관성을 이용한다. An accelerometer is a device that observes the specific force required to accelerate unit mass. It uses the inertia of an object to observe the acceleration of a payload equipped with an accelerometer.

가속도계는 적분 자이로가 장착된 적분 자이로 가속도계, 마찰이 작은 상자내에 탑재된 실험용 물체를 이용한 실험 질량체 가속도계, 두 개의 얇은 금속테이프의 진동을 이용한 진동 현 가속도계 및 광섬유를 이용한 광섬유 가속도계 등으로 구성된다.The accelerometer consists of an integrated gyro accelerometer with an integrated gyro, an experimental mass body accelerometer using a test object mounted in a small friction box, an oscillating string accelerometer using two thin metal tapes, and an optical fiber accelerometer using an optical fiber.

적분 자이로 가속도계는 자유도가 1인 자이로에서 출력축 주위의 비틀림 모멘트가 입력축 주위에 세차를 발생시키는 현상을 이용한다. 적분 자이로 가속도계의 입력축을 따라 발생한 선형 가속도는 레이트 자이로의 출력축에 비틀림 모멘트를 발생시키고, 자이로의 입력축에 대해서 수직인 원통에 세차운동이 일어난다. Integral gyro accelerometers use the phenomenon that the torsional moment around the output axis causes precession around the input axis in a gyro with 1 degree of freedom. The linear acceleration generated along the input axis of the integrated gyro accelerometer generates a torsional moment on the output axis of the rate gyro and precession occurs in a cylinder perpendicular to the input axis of the gyro.

실험 질량체 가속계는 하나의 관 속에서 좌우로 자유로이 운동하는 작은 질량체이며, 운동을 제한할 수 있는 스프링과 커다란 요동을 방지하기 위한 제동장치 에 연결되어있다. The experimental mass accelerometer is a small mass that moves freely from side to side in a tube and is connected to a spring that can limit movement and a brake to prevent large swings.

진동 현 가속도계는 이동이 가능한 물체의 좌측과 우측에 얇은 금속 테이프로 된 현을 연결하여 가속도를 관측한다. 자석은 테이프가 공칭 주파수를 가지고 일정한 진동을 유지하도록 하는 역할을 한다. 외부상자가 반응축을 따라서 가속되는 경우 이동물체는 두 개의 테이프가 서로 다른 주파수를 가지고 진동할 수 있도록 각기 다른 장력을 발생시키고, 가속도는 두 개의 테이프가 가지는 진동 주파수의 차이에 비례하게 된다.Vibrating string accelerometers monitor acceleration by connecting strings of thin metal tape to the left and right sides of movable objects. The magnet serves to keep the tape at a nominal frequency and to maintain a constant vibration. When the outer box is accelerated along the reaction axis, the moving object generates different tensions so that the two tapes can vibrate with different frequencies, and the acceleration is proportional to the difference in the vibration frequencies of the two tapes.

광섬유 가속도계는 물체에 가속을 일으키는 힘을 관측하기 위한 장비로서, 가속이 발생하면 미소 영역대의 주파수가 생겨서 광섬유 내에 광학력의 강도가 변조되며, 관측범위와 민감도는 광섬유의 단단함과 질량에 의해 영향을 받는다.An optical fiber accelerometer is a device for observing a force that causes acceleration in an object. When acceleration occurs, the frequency of the micro band is generated, and the intensity of optical force is modulated in the optical fiber. Receive.

자이로는 관성계 내에서 가속도계가 고정된 상태를 일정하게 유지되도록 하고, 상기 가속도계는 중력가속도를 감지하지 않기 때문에 이러한 가속도계의 결함을 보완하기 위하여 중력모형에 기초한 중력효과를 필요로 한다. 컴퓨터와 중력모형을 이용하여 중력을 위치의 함수로 계산할 수 있으며, 위치는 관측된 가속도를 두 번 적분함으로써 얻을 수 있다.The gyro keeps the accelerometer fixed in the inertial system, and since the accelerometer does not sense gravity acceleration, it needs a gravitational effect based on the gravitational model to compensate for the deficiencies of the accelerometer. Using a computer and gravity model, gravity can be calculated as a function of position, and position can be obtained by integrating the observed acceleration twice.

INS를 이용한 대상물의 위치 해석에 관하여 설명하면 다음과 같다. Referring to the analysis of the position of the object using the INS as follows.

항법을 수행하는 방법으로는 기지의 표지에 대해서 탑재기의 위치를 해석하는 조정법과, 관측된 일련의 속도 증가량으로부터 외삽법을 이용하여 위치를 해석하는 추측항법과, 일정한 시간 동안 천체의 위치를 관측하여 현재 위치를 파악하는 천문항법과, 송신기로부터 발사된 전자기파가 수신기까지 도달한 후 되돌아오는 시 간을 관하여 물체의 위치를 해석하는 전파항법 및 평형을 유지하는 탑재기에 장착된 가속도계를 이용하여 탑재기의 위치를 해석하는 관성 항법이 있다.The navigation method is to adjust the position of the payload to the known mark, to estimate the position using extrapolation from the observed series of speed increase, and to observe the position of the celestial body for a certain time. Position of the mount using astronomical navigation to determine its current position, radio navigation to interpret the position of the object in relation to the time when electromagnetic waves emitted from the transmitter reach the receiver and return to the receiver. There is an inertial navigation that interprets.

관성 항법은 탑재기의 가속도를 관측하여 적분함으로써 기지의 출발점에 대한 탑재기의 속도 및 위치를 파악하는 과정이다. 가속도계는 가속도를 감지하는 장치이고 가속도는 방향과 크기를 가지는 벡터량이다. Inertial navigation is the process of determining the speed and position of the payload relative to the starting point of the base by observing and integrating the acceleration of the payload. An accelerometer is a device that senses acceleration, and acceleration is a vector quantity with direction and magnitude.

관성 항법 체계의 기본 기능은 감지(sensing), 계산(computing), 출력(outputting) 등이다. 가속도계와 자이로는 감지 기능을 수행하며, 가속도와 각 회전량과 같은 관측 값을 컴퓨터로 전송한다. 컴퓨터는 이 자료를 이용하여 속도와 위치, 자세, 자세 변화율, 방향 및 고도 등을 계산한다. 출력기능은 사용자의 목적에 맞게 적절한 자료를 출력하는 것이다. The basic functions of the inertial navigation system are sensing, computing and outputting. Accelerometers and gyros perform sensing and transmit observations such as acceleration and angular rotation to a computer. The computer uses this data to calculate speed, position, posture, rate of change, orientation, and altitude. The output function is to output the appropriate data for the user's purpose.

INS는 자이로와 가속도계로부터의 관성정보를 이용하여 외부의 도움없이 항체의 위치, 속도 및 자세를 결정하는 항법시스템으로서 짧은 시간에 매우 정확한 항법해를 제공하지만 시간이 지남에 따라 바이어스 오차, 초기 정렬 오차 등의 요인에 의해 항법 오차가 급격히 증가한다.INS is a navigation system that uses the inertial information from the gyro and accelerometer to determine the position, velocity, and posture of antibodies without external assistance. It provides very accurate navigation solution in a short time, but over time, bias error, initial alignment error Navigation errors increase rapidly due to such factors.

반면 GPS는 시간경과에 따른 오차누적이 없으므로 장시간 정확한 항법해를 제공하지만 외부 교란 신호에 의해 정상동작이 불가능한 경우도 있다.On the other hand, GPS provides accurate navigation solution for a long time because there is no accumulated error over time, but it may be impossible to operate normally due to external disturbance signal.

전술한 바와 같이, GPS와 INS는 상호보완적인 오차특성을 가지므로 통합에 의해 고정밀한 항법시스템을 구성할 수 있다.As described above, since GPS and INS have complementary error characteristics, it is possible to construct a high-precision navigation system by integration.

도 7 은 본 발명의 일실시예에 따른 GPS와 INS가 통합된 H-GPS(Hybrid GPS) 의 블록도이다.7 is a block diagram of H-GPS (Hybrid GPS) incorporating GPS and INS according to an embodiment of the present invention.

도 7 에 도시된 바와 같이, H-GPS는 항체의 회전각과 진행거리를 검출 및 에러를 보정하여 출력하는 관성센서(Inertial Measurement Unit:IMU)와, 이들 정보를 기초로 항체의 위치, 속도 및 자세를 계산하기 위한 Navigation부분, 그리고 계통오차(Systematic Error)와 비계통오차(Non-systematic Error)를 보상하기 위한 칼만 필터(Kalman Filter)와, 장시간 측정시 INS에서 발생되는 오차의 보상을 위한 GPS 수신기로 구성된다.As shown in FIG. 7, the H-GPS is an inertial measurement unit (IMU) that detects the rotation angle and the traveling distance of the antibody and corrects and outputs the error, and the position, velocity, and posture of the antibody based on these information. Navigation part to calculate the error, Kalman filter to compensate for systematic error and non-systematic error, and GPS receiver to compensate for errors generated in INS during long time measurement. It consists of.

칼만 필터는 무작위 변동을 발생시키는 동적 체계에 적용되는 최적상태 예측 과정으로써 가우시안 백색잡음에 의해 교란되는 선형 동적 체계의 일시적인 상태를 추정하는 반복적 알고리즘이며, 상태평균과 공분산을 계산하는 기능을 수행한다. 이러한 알고리즘을 구성하기 위한 상태방정식과 관측방정식의 구성은 다음과 같다.The Kalman filter is an optimal state prediction process applied to dynamic systems that generate random fluctuations. It is an iterative algorithm that estimates the transient state of a linear dynamic system disturbed by Gaussian white noise, and calculates the mean and covariance. The state equations and observation equations for constructing these algorithms are as follows.

Xk +1 = φkXk + Wk (상태방정식)X k +1 = φ k X k + W k (state equation)

Zk = HkXk + Vk (관측방정식)Z k = H k X k + V k (Observation equation)

여기서, Xk : 시점 tk에서의 (n×1) 상태 벡터Where X k is the (n × 1) state vector at time t k .

φk : 시점 k에서 k+1로의 (n×n) 전이행렬φ k : (n × n) transition matrix from time k to k + 1

Wk : 알려진 공분산을 가진 (n×1) 백색순서(white sequence)로 구성 인자의 평균이 0 이고, 다른 변수와의 상관관계가 없는 벡터W k is a (n × 1) white sequence with a known covariance, the mean of which the constituents are zero, and are not correlated with other variables

Zk : 시점 tk의 (m×1)관측벡터Z k : (M × 1) observation vector at time point t k

Hk : 시점 tk에서 관측벡터와 상태벡터를 연결시켜 주는 (m×m) 벡터H k : Vector (m × m) that connects the observation vector and the state vector at time t k

Vk : 알려진 공분산을 가지고 Wk 와 상관관계가 없는 (m×1) 관측 오차V k : (M × 1) observation error with known covariance and not correlated with W k

칼만 필터의 일반적인 알고리즘을 살펴보면 다음과 같다.The general algorithm of the Kalman filter is as follows.

Figure 112005054959393-pat00030
Figure 112005054959393-pat00030

초기화 단계: 초기자료 입력(사전 예측치

Figure 112005054959393-pat00031
, 공분산 오차행렬
Figure 112005054959393-pat00032
입력한다.Initialization phase: Enter initial data (predicted value
Figure 112005054959393-pat00031
, Covariance error matrix
Figure 112005054959393-pat00032
Enter it.

칼만 이익 계산: 초기자료에 의해 칼만 이익을 계산한다.Kalman Profit Calculation: Calculate Kalman profit from initial data.

Figure 112005054959393-pat00033
Figure 112005054959393-pat00033

상태벡터 갱신: 관측벡터 Zk를 이용하여 상태벡터 추정치 갱신State Vector Update: Update State Vector Estimation Using Observation Vector Z k

Figure 112005054959393-pat00034
Figure 112005054959393-pat00034

공분산 계산: 갱신된 예측치에 대한 공분산 계산Covariance calculation: Covariance calculation for updated predictions

Figure 112005054959393-pat00035
Figure 112005054959393-pat00035

장래예측: 장래 사전 예측치 Forward-looking predictions: future forecasts

Figure 112005054959393-pat00036
Figure 112005054959393-pat00036

Figure 112005054959393-pat00037
Figure 112005054959393-pat00037

칼만 필터는 불규칙성을 가지는 자료를 토대로 한 미래 통행시간 등에 훌륭한 예측력을 보이고, 관측방정식을 사용하여 칼만 게인(KALMAN GAIN)을 구하도록 함으로써 공분산과 함께 오차를 계속적으로 줄여주는 알고리즘이다.The Kalman filter is an algorithm that shows excellent predictive power in future travel time based on irregular data and continuously reduces errors by covariance by using KALMAN GAIN to obtain the observation equation.

도 8 내지 도 9 는 본 발명의 일실실예에 따른 H-GPS에 있어서의 약결합 방식과 강결합 방식의 블록도이다.8 to 9 are block diagrams of the weak coupling method and the strong coupling method in H-GPS according to one embodiment of the present invention.

H-GPS 시스템은 두 시스템의 결합 정도에 따라 약결합 방식(Loosely-coupled system)과 강결합 방식(Tightly-coupled system)으로 구분된다.H-GPS system is divided into loosely-coupled system and tightly-coupled system according to the degree of coupling between the two systems.

도 8 에 도시된 바와 같이, 약결합 방식은 칼만 필터를 가진 GPS 수신기를 포함하고 15개 내지 18개의 state Kalman Filter를 가진 IMU와, 처리모듈(navigation processor)과, IMU로부터의 Δθ's, Δν's 를 가진 플랫폼의 자세, 위치 및 속도를 변환하는 navigation equation을 포함한다.As shown in Fig. 8, the weak coupling scheme includes a GPS receiver with a Kalman filter and has an IMU with 15 to 18 state Kalman Filters, a navigation processor, and a Δθ's, Δν's from the IMU. Contains a navigation equation that transforms the platform's attitude, position, and velocity.

도 9 에 도시된 바와 같이, 강결합 방식은 GPS로부터 의사 범위(pseudo range)와 위성 궤도 정보를 받아 하나의 처리모듈(navigation processor)에서 모든 것을 수행하며, 추적 가능한 모든 위성의 의사 거리 및 의사 거리율을 측정치로 사용하므로 가시 위성의 개수가 4개 미만이더라도 급격한 성능 저하 없이 통합 항법 을 수행한다.As shown in FIG. 9, the strong coupling method receives pseudo range and satellite orbit information from GPS and performs everything in one navigation processor, and pseudo and pseudo distances of all traceable satellites are performed. Since the rate is used as a measure, integrated navigation is performed even if the number of visible satellites is less than four, without a sudden decrease in performance.

본 발명에서는 강결합 방식의 칼만 필터링 방법을 이용하여 GPS와 INS를 통합하되, GPS를 이용한 정확한 위치데이터를 측정함과 동시에 INS를 이용한 항공기 각 축에 대한 회전량 및 자세데이터를 측정하여 비행중인 항공기의 절대 위치측정 및 자세정보를 얻는다.In the present invention, while using the Kolman filtering method of the strong coupling method, GPS and INS are integrated, while accurate position data is measured using GPS, and the amount of rotation and attitude data of each axis of the aircraft is measured using the INS, the aircraft is in flight. Obtain absolute position measurement and attitude information.

도 10 은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 파의 확산 각을 나타내는 도면이다.10 is a view showing a diffusion angle of a laser wave according to an embodiment of the present invention.

레이저는 전자기파의 유도방출에 의한 빛을 증폭하는 것으로, 유도방출 방법으로 발생하는 전자기파가 증폭되어서 큰 에너지를 가지게 되는 것을 말한다. The laser amplifies the light by the induced emission of electromagnetic waves, which means that the electromagnetic waves generated by the induced emission method are amplified to have a large energy.

레이저가 발생하기 위해서는 레이저 매질(Laser medium)이라는 특수한 물체 사이에 반사율이 서로 다른 거울(미도시)을 평행하게 만들어 놓고 레이저 매질에 에너지를 주입해야 한다. 레이저 매질에 들어가는 에너지는 주로 강한 빛이나 전기에너지이고, 이러한 빛이나 에너지들이 레이저 매질 내부에서 유도방출을 일으킨다. 유도방출되어서 발생하는 빛은 거울(미도시) 사이를 왕복하면서 점점 에너지가 커지게 되고, 어느 한계까지 커지면 거울(미도시)을 투과하는 것이다. 레이저는 레이저 매질의 상태에 따라 기체, 액체, 고체 레이저로 나눌 수 있다. In order to generate a laser, a mirror (not shown) with different reflectances must be paralleled between special objects called a laser medium and energy is injected into the laser medium. The energy entering the laser medium is mainly strong light or electrical energy, which induces emission within the laser medium. The light generated by the induced emission is gradually increased in energy while reciprocating between the mirrors (not shown), and is transmitted through the mirrors (not shown) when it reaches a certain limit. Lasers can be divided into gas, liquid and solid lasers depending on the state of the laser medium.

도 10 에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 고체 레이저인 Nd:YAG(1064nm) 레이저가 사용된다. Nd:YAG 레이저는 고집적 에너지(High energy pulse)가 짧은 시간 간격으로 실현될 수 있게 하여 정확한 거리 측정이 가능하고, 레이저 파의 확산 각을 0.7 mrad 이하로 좁게 하여 높은 고도에서도 지상의 작은 대상물에 대한 거리 측정이 가능하다.As shown in Fig. 10, in the present invention, a solid state laser, Nd: YAG (1064 nm) laser, is used. Nd: YAG lasers enable high energy pulses to be realized at short time intervals, enabling accurate distance measurement, and narrowing the diffusion angle of the laser wave to 0.7 mrad or less, making it possible for small objects on the ground at high altitudes. Distance measurement is possible.

본 실시예에서 레이저 파의 확산 각을 0.7 mrad 이하인 것으로 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In this embodiment, the diffusion angle of the laser wave is set to 0.7 mrad or less, but the present invention is not limited thereto.

도 11 은 본 발명의 일실시예에 따른 반사거울을 이용한 레이저 파의 주사를 나타내는 도면이다.11 is a view showing scanning of a laser wave using a reflection mirror according to an embodiment of the present invention.

도 11 에 도시된 바와 같이, 레이저 장치는 지상의 대상물에 레이저 파를 쏠 때, 좌우로 소정 각도(φ)만큼 움직이는 반사 거울을 이용하여 지상의 대상물에 레이저 파를 주사한다.As shown in FIG. 11, when the laser device shoots a laser wave on an object on the ground, the laser device scans the laser wave on the object on the ground by using a reflection mirror moving by a predetermined angle φ from side to side.

도 12 는 본 발명의 일실시예에 따른 탑재된 항공 센서 데이터의 흐름도이다.12 is a flowchart of onboard aerial sensor data according to an embodiment of the present invention.

도 12 에 도시된 바와 같이, 상기 컴퓨터(30)는 항공기에 탑재된 GPS(10), INS(20) 및 레이저 장치(40) 각각의 센서에서 나오는 신호와 시간을 수신(S2)하고, INS(20)와 레이저 장치(40) 센서의 시간정보를 컴퓨터 시간으로 저장한 후, GPS(10) 시간으로 동기화 시킨다(S4).As shown in FIG. 12, the computer 30 receives signals (S2) and time from the sensors of the GPS 10, the INS 20, and the laser device 40 mounted on the aircraft (S2), and the INS ( 20) and time information of the laser device 40 sensor is stored as a computer time, and then synchronized to the GPS (10) time (S4).

컴퓨터(30)는 GPS(10)와 INS(20)가 가지는 보완적 관계를 이용하여 다수의 레이저가 쏘아지는 순간마다 정확한 항공기 위치와 자세정보를 수신(S6)하고, 수신한 항공기의 위치와 자세정보 및 레이저의 범위 등을 통합 처리 후 저장한다(S8).The computer 30 receives the correct aircraft position and attitude information at every moment when a plurality of lasers are fired by using the complementary relationship between the GPS 10 and the INS 20 (S6), and receives the position and attitude of the received aircraft. The information and the range of the laser are stored after the integrated process (S8).

도 13 은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 좌표값을 얻기 위한 데이터 처리도이다.13 is a data processing diagram for obtaining a three-dimensional coordinate value according to an embodiment of the present invention.

도 13 에 도시된 바와 같이, 상기 컴퓨터(30)는 기 저장된 데이터와, GPS(10)와 INS(20)가 강결합 방식의 칼만 필터링 기법(S10)을 이용하여 레이저 파가 발사된 시점에 대한 외부 표정요소 결과를 산출(S12)하고, 얻어진 외부 표정요소를 레이저 센서의 거리 정보와 통합(S14)하여 대상물의 3차원 위치를 산출한다(S16).As shown in FIG. 13, the computer 30 may store previously stored data and a time point at which the laser wave is fired using the Kalman filtering technique S10 of the GPS 10 and the INS 20 that are strongly coupled. An external facial expression element result is calculated (S12), and the obtained external facial expression element is integrated with distance information of the laser sensor (S14) to calculate a three-dimensional position of the object (S16).

상기와 같은 본 발명에 따르면, 종래의 항공사진과 같은 간접방식에서 벗어나 레이저 파를 직접적으로 이용함으로써 복잡한 과정을 거치지 않아 결과 산출의 경비와 시간단축은 물론, 오차의 발생을 최소화하는 효과가 있다.According to the present invention as described above, by using a laser wave directly away from the indirect method, such as the conventional aerial photo, there is an effect of minimizing the occurrence of errors, as well as the cost and time reduction of the result calculation.

그리고, 본 발명에 따르면, 레이저 장치를 이용하여 산림 지형에 대한 높이뿐만 아니라 도심의 지형지물에 대한 고출력의 3차원 위치를 수집하여 정확한 표고 산출이 가능하며, 공간지리정보의 핵심인 DSM(Digital Surface Model)과 DEM(Digital Elevation Model)을 정확히 생성할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to calculate the accurate elevation by collecting a high-power three-dimensional position for the topography of the city as well as the height of the forest topography using a laser device, and the DSM (Digital Surface) which is the core of spatial geographic information It has the effect of accurately creating the Model and Digital Elevation Model.

Claims (2)

3차원 측위 시스템에 있어서,In a three-dimensional positioning system, 대상물의 정지 또는 이동에 관계없이 정확한 위치를 측정하는 GPS; GPS for measuring accurate position regardless of stationary or moving object; 자이로스코프와 가속도계에 의해 운반체의 회전 각속도와 선형 가속도를 측정하여 운반체의 현재 위치, 속도 및 자세정보를 제공하는 INS; An INS that measures the rotational angular velocity and the linear acceleration of the vehicle by a gyroscope and an accelerometer to provide current position, velocity, and attitude information of the vehicle; 레이저 파가 대상물에 맞고 되돌아오는 경과시간을 측정하여 거리로 환산하는 레이저 장치; 및A laser device for measuring an elapsed time of returning the laser wave to the object and converting the distance into a distance; And 상기 GPS 및 INS를 이용하여 측정된 항공기의 위치 및 자세정보를 칼만 필터링 기법을 통해 통합한 후, 통합된 정보를 기반으로 외부 표정요소를 산출하고 상기 레이저 장치를 통해 거리정보를 측정하여, 상기 거리정보 및 상기 외부 표정요소를 기반으로 대상물의 3차원 좌표를 산출하는 컴퓨터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치를 이용한 3차원 측위 시스템.The location and attitude information of the aircraft measured using the GPS and the INS are integrated through the Kalman filtering technique. A computer for calculating three-dimensional coordinates of an object based on information and the external facial expression elements; Three-dimensional positioning system using a laser device comprising a. 삭제delete
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