KR100650518B1 - A specifying method and system for settling position of pru - Google Patents

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조경남
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Abstract

A method and a system for specifying the position of PRU(position reference unit) is provided to precisely specify position information of the position reference unit under a water level. The position of an antenna is measured, and the position of a signal transceiver is specified by using distance information between the antenna and the signal transceiver and posture information of a buoy(102). The distance between the signal transceiver and a signal receiving member is measured. The specifying step and the measuring step are repeated while the buoy is moved to at least three points. The position of a PRU(104) is trigonometrically measured based on the position information and the distance information. An error of the measured PRU position is eliminated.

Description

피알유의 위치 특정방법 및 위치 특정시스템{A SPECIFYING METHOD AND SYSTEM FOR SETTLING POSITION OF PRU}A SPECIFYING METHOD AND SYSTEM FOR SETTLING POSITION OF PRU}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PRU의 낙착 지점을 특정하는 것을 설명하기 위한 개략도이다. 1 is a schematic diagram for explaining specifying a dropping point of a PRU according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 도시된 부이의 구체적인 구성을 설명하기 위한 도면이다. 2 is a view for explaining a specific configuration of the buoy shown in FIG.

도 3은 도 1에 도시된 PRU의 구체적인 구성을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 3 is a diagram for describing a detailed configuration of the PRU shown in FIG. 1.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 PRU의 낙착지점 특정 시스템을 설명하기 위한 블록도이다. 4 is a block diagram illustrating a system for specifying a destination point of a PRU according to a preferred embodiment of the present invention.

도 5는 부이의 자세에 따른 GPS 안테나와 신호 송신수단의 상대 위치 변화를 설명하기 위한 도면이다. 5 is a view for explaining a change in the relative position of the GPS antenna and the signal transmitting means according to the buoy posture.

도 6은 부이의 다점 측위에 의한 PRU의 삼각 측량을 설명하기 위한 도면이다. 6 is a diagram for explaining triangulation of a PRU by multi-point positioning of buoys.

도 7은 위치 오차의 전파 과정을 설명하기 위한 블록도이다. 7 is a block diagram illustrating a propagation process of a position error.

도 8은 DOP에 의한 위치 오차 발생 예를 설명하는 도면으로서, 도 8a는 우수한 DOP를, 도 8b는 나쁜 DOP를 나타낸다. FIG. 8 is a view for explaining an example of position error caused by DOP. FIG. 8A shows a good DOP, and FIG. 8B shows a bad DOP.

본 발명은 3개 이상의 수중 음향 거리 계측 기준점을 기저면으로 하여 수중에서 위치를 특정하는 시스템인 LBL을 위한 요소 기술에 관한 것으로서, 특히 3지점 이상에서 이동하는 부이에 장착된 신호 송신수단과 해저면에서 신호 수신수단을 탑재한 PRU까지의 거리를 계측하여 삼각측량 기법에 의해 위치기준점(PRU)의 절대 위치를 계산하고 오차를 제거하여 정밀한 위치를 특정하는 PRU의 위치 특정방법 및 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to an element technology for LBL, which is a system for specifying a position in the water based on three or more underwater acoustic distance measurement reference points. The present invention relates to a method and system for specifying a location of a PRU that measures a distance to a PRU equipped with signal receiving means, calculates an absolute position of a location reference point (PRU) by triangulation, and eliminates errors to specify a precise location.

LBL(Long-base Line) 시스템이란 수면하 일정 깊이나 바닥에 설치된 위치기준점으로서의 PRU(Position Reference Unit)와 부이(buoy)등에 부착된 신호 송신수단 사이의 거리를 3개 이상 계측하고, 이를 삼각 측량 기법을 통해 신호 송신수단의 위치를 특정하는 시스템을 말한다. 이런 LBL 시스템을 사용하기 위해서는 위치기준점(PRU)의 위치를 정확히 알아야 하는데, 위치기준점(PRU)을 알기 위한 기존의 방식으로는 다음의 세가지 정도를 들 수 있다. The Long-Base Line (LBL) system measures at least three distances between the PRU (Position Reference Unit) and the signal transmission means attached to the buoy, etc. It refers to a system that specifies the location of signal transmission means through a technique. In order to use the LBL system, the position of the position reference point (PRU) needs to be known exactly. There are three conventional methods for knowing the position reference point (PRU).

첫째, 선박에서 GPS를 이용하여 투입 위치를 측량한 후, 연직 하방으로 말뚝(pile)을 해저면에 고정시켜 그 위치를 특정하는 방법이다. 또는, 부이를 띄우고 그 연직 하방에 위치기준점(PRU)이 있다고 가정하여, 부이의 수평 위치를 위치기준점의 수평 위치로 특정하는 방식을 이용할 수도 있다. 더욱이, 유정 개발과 같은 대규모 작업의 경우 선박에 탑재된 USBL(ultra short baseline)이나 SSBL(super short baseline)과 같은 장비와 GPS를 이용함으로써 수면하 위치기준점(PRU)의 위치를 특정할 수도 있다.First, after surveying the input position using the GPS in the vessel, it is a method to specify the position by fixing the pile (pile) to the sea floor vertically downward. Alternatively, assuming that the buoy is floating and the position reference point (PRU) is vertically downward, a method of specifying the horizontal position of the buoy as the horizontal position of the position reference point may be used. In addition, for large-scale operations such as oil well development, the use of equipment such as ultra short baseline (USBL) or super short baseline (SSBL) on board ships and GPS can be used to specify the location of the subsurface location reference point (PRU).

그러나 상술한 종래 방식에 의한 위치기준점(PRU)을 알기 위한 방법은, 첫번째 방법의 경우, 해저면에 고정된 말뚝이 측량점인 선박으로부터 정확히 연직 하방에 위치하지 않으면 위치기준점(PRU)의 오차가 수 m 이상까지 발생하는 문제점이 있고, 위치 기준점의 위치를 변경하고자 할 경우 새로운 말뚝을 계속 해저면에 고정시켜야 하므로 추가적인 비용이 계속 요구된다. 또한, 부이를 이용한 방법의 경우에도, 파랑에 의해 부이의 운동이 발생하므로, 위치기준점(PRU)의 정확한 위치를 특정함에 많은 오차 요소를 포함할 수 밖에 없으며, USBL(ultra short baseline)이나 SSBL(super short baseline)과 같은 장비의 가격이 매우 비싸고, 기저면이 짧아 상대적으로 큰 오차를 수용하며, 쉽게 이용할 수 없다는 단점을 가지고 있다.However, the method for knowing the position reference point (PRU) according to the conventional method described above, in the case of the first method, if the pile fixed to the sea bottom is not located exactly vertically below the ship which is the measurement point, the error of the position reference point (PRU) may be There is a problem that occurs up to m or more, and if you want to change the position of the position reference point, since the new pile must be fixed to the bottom continuously, additional cost is still required. In addition, in the case of the buoy-based method, since the buoy's motion is generated by the blue, many errors must be included in specifying the exact position of the position reference point (PRU), and the ultra short baseline (USBL) or SSBL ( Equipment such as super short baseline is very expensive, has a short base, accommodates relatively large errors, and is not easily available.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, LBL 시스템을 구성할 때 수면 하에 있는 위치기준점(PRU)의 위치 정보를 정밀하게 특정하는 것을 목표로 한다. The present invention has been proposed to solve the problems of the prior art, and aims to precisely specify the position information of a position control point (PRU) under water when configuring an LBL system.

본 발명에 따른 PRU의 위치 특정방법은, 안테나 및 신호 송신수단이 장착된 수면상의 부이를 이용하여 신호 수신수단이 장착된 수면하 PRU의 위치를 특정하기 위해, (a) 안테나의 위치를 계측하는 단계, (b) 안테나와 신호 송신수단간의 길이정보 및 부이의 자세정보를 이용하여 신호 송신수단의 위치를 특정하는 단계, (c) 신호 송신수단과 신호 수신수단의 거리를 계측하는 단계, (d) 부이를 적어도 3 지점 이상 이동시키면서 (b) 단계 및 (c) 단계를 반복하는 단계, (e) 적어도 3 지점 이상에서의 신호 송신수단의 위치정보 및 신호 송신수단과 신호 수신수단과의 거리정보를 기초로 PRU의 위치를 삼각 측량하는 단계 및, (f) 측량된 상기 PRU 위치에서 오차를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to the present invention, the method for specifying the position of a PRU is characterized by (a) measuring the position of an antenna to specify the position of an under-sleep PRU equipped with a signal receiving means using a buoy on the surface equipped with an antenna and a signal transmitting means. (B) specifying the position of the signal transmitting means using length information between the antenna and the signal transmitting means and buoy posture information, (c) measuring the distance between the signal transmitting means and the signal receiving means, (d (B) repeating steps (b) and (c) while moving the buoy at least three points; (e) location information of the signal transmitting means at least three points and distance information of the signal transmitting means and the signal receiving means. Triangulating the position of the PRU based on the step of removing the error from the measured PRU position.

이 때, (e) 단계는, (e1) 임의의 신호 송신수단과 PRU간의 거리를 추정하는 단계, (e2) 최소 자승 추정법을 이용하여 PRU의 위치를 구하는 단계 및, (e3) 구해진 PRU의 위치와 이전에 구해진 PRU의 위치와의 차이가 소정 오차 한계보다 클 경우 구해진 PRU의 위치를 (e1) 단계에 대입하여 (e2) 및 (e3) 단계를 반복하고, 소정 오차 한계보다 작을 경우 구해진 PRU의 위치를 결과로 산출하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, (f) 단계에서, 오차의 제거는 최적 스무더를 이용하는 것이 바람직하고, 하나의 실시예로써 이러한 최적 스무더는 전방 필터로서 확장 칼만 필터를 이용하고, 후방 필터로서 선형화 칼만 필터를 이용하는 고정 구간 최적 스무더가 있을 수 있다. In this case, step (e) includes (e1) estimating a distance between any signal transmission means and a PRU, (e2) obtaining a location of the PRU using a least squares estimation method, and (e3) obtaining the location of the PRU. If the difference between the PRU and the previously obtained PRU is greater than the predetermined error limit, the obtained PRU is substituted into the step (e1), and the steps (e2) and (e3) are repeated. It is preferable to include calculating the position as a result. Also, in step (f), it is preferable to use the optimum smoother to remove the error, and in one embodiment, such an optimum smoother uses an extended Kalman filter as the front filter and a fixed interval optimal using the linearized Kalman filter as the rear filter. There may be a smoother.

본 발명에 따른 신호 송신수단이 장착된 수면상의 부이를 이용하여 신호 수신수단이 장착된 수면하 PRU의 위치를 특정하는 시스템은, 부이의 위치를 계측하는 위치 계측부 및, 부이의 자세를 측정하는 경사 측정부를 갖는 계측수단, 계측수단으로부터 입력된 위치정보 및 자세정보를 기초로 적어도 3 지점 이상에서의 신호 송신수단의 위치를 특정하는 해석수단 및, 적어도 3 지점 이상에서의 신호 송신수단의 위치정보 및 적어도 3 지점 이상에서 계측된 신호 송신수단과 신호 수신수단과의 거리정보를 기초로 PRU의 위치를 삼각 측량하고, 측량된 PRU 위치에서 오차를 제거하는 연산수단을 구비하는 것을 특징으로 한다. The system for specifying the position of the under-sleep PRU equipped with the signal receiving means using the buoy on the surface equipped with the signal transmitting means according to the present invention includes a position measuring unit for measuring the position of the buoy, and an inclination for measuring the posture of the buoy. Measuring means having a measuring unit, analysis means for specifying the position of the signal transmitting means at least three points or more based on the positional information and attitude information input from the measuring means, positional information of the signal transmitting means at least three points and And a calculation means for triangulating the position of the PRU based on the distance information between the signal transmission means and the signal reception means measured at least three points, and removing the error from the measured PRU position.

이 때, 위치 계측부는 RTK-DGPS를 사용하는 것이 바람직하고, 경사 측정부는 자세측정 센서인 것이 바람직하다. At this time, it is preferable that the position measuring part uses RTK-DGPS, and it is preferable that the inclination measuring part is an attitude measuring sensor.

더욱이, 연산수단은, 적어도 3 지점 이상에서의 신호 송신수단과 신호 수신수단과의 거리를 계산하는 거리 환산부, 거리 환산부에서 계산된 거리정보 및 적어도 3 지점 이상에서의 신호 송신수단의 위치정보를 기초로 간접 되먹임 최소자승 추정법을 이용하여 PRU의 위치를 삼각 측량하는 삼각측량 연산부 및, 측량된 PRU 위치에서 최적 스무더를 이용하여 오차를 제거하는 오차 제거부를 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 연산수단은 이미 알려진 상기 PRU의 위치정보를 갖고서 PRU의 위치오차를 분석하는 오차 분석부를 더 구비할 수도 있다. Further, the calculating means includes a distance converting unit for calculating a distance between the signal transmitting means and the signal receiving means at least three points, the distance information calculated by the distance converting unit, and the positional information of the signal transmitting means at least three points or more. It is preferable to have a triangulation operation unit for triangulating the position of the PRU by using an indirect feedback least squares estimation method, and an error removal unit for eliminating an error using an optimal smoother at the position of the measured PRU. Such calculation means may further include an error analysis unit for analyzing the positional error of the PRU with the known position information of the PRU.

본 발명은 수면에 위치하는 부이에 정밀급 위성 항법 시스템인 RTK-DGPS(Real-Time Kinematic Differential Global Positioning System) 처리 장비를 탑재하고, GPS 안테나와 신호 송신수단간의 기구학적 조건을 경사계 및 방위계 등을 통해 정밀하게 계측하여 신호 송신수단의 위치를 3cm 안팎으로 특정하도록 한다. 이렇게 설계된 부이에 장착된 음향 신호 송신수단를 수면에서 3지점 이상의 위치로 이동하여 PRU까지의 거리를 계측한 후, 이를 바탕으로 PRU의 위치를 삼각측량한다. 이렇게 측지된 PRU의 위치 결과에는 음향 신호에 포함된 오차와 파랑에 의한 부이의 운동 등에서 파생된 오차가 포함되어 있으므로, 이러한 위치 오차를 제거하기 위하여 최적 스무딩 기법을 이용하여 이러한 오차를 제거한다. 본 발명에서는 이와 같이 PRU의 위치를 정밀하게 특정할 수 있는 기구 및 방법을 제공한다. The present invention is equipped with a real-time Kinematic Differential Global Positioning System (RTK-DGPS) processing equipment, which is a precision satellite navigation system, buoys located on the water surface, and the kinematic conditions between the GPS antenna and the signal transmission means are inclinometer and azimuth system, etc. Through precise measurement through to determine the position of the signal transmission means in and out 3cm. The sound signal transmitting means mounted on the buoy thus designed is moved to three or more positions on the surface of the water to measure the distance to the PRU, and then triangulate the position of the PRU. Since the position result of the geodetic PRU includes an error derived from an acoustic signal and a buoy's motion due to a wave, such an error is eliminated by using an optimal smoothing technique to remove the position error. The present invention provides a mechanism and method that can precisely specify the location of the PRU.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments are provided to those skilled in the art to fully understand the present invention, and may be modified in various forms, and the scope of the present invention is described in the following embodiments. It is not limited.

(실시예)(Example)

이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PRU의 낙착 지점을 특정하는 것을 설명하기 위한 개략도이다. 도 1을 참조하면, PRU의 낙착 지점을 특정하기 위한 시스템은 호스트 컴퓨터(100), 호스트 컴퓨터(100)에 유선으로 연결된 부이(102) 및, 해저면에 위치하는 PRU(104)로 이루어진다. 부이(102)는 도 1에 도시된 바와 같이 수면에서 3지점 이상으로 이동하며 해저면의 PRU(104) 까지의 거리를 계측하게 된다. 그러면 호스트 컴퓨터(100)는 계측된 부이(102)와 PRU(104)간의 거리정보와 부이(102)의 위치정보를 기초로 삼각측량 기법을 이용하여 PRU(104)의 절대 위치를 파악하게 된다. 그런데, 음향 신호를 이용할 경우, 이렇게 측지된 PRU의 위치 정보에는 오차와 파랑에 의한 부이의 운동으로 인해 음향 신호에 오차가 포함되어 있으므로, 오차 제거 과정을 통해 PRU(104)의 정밀한 위치를 특정할 수 있게 된다. 1 is a schematic diagram for explaining specifying a dropping point of a PRU according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a system for specifying a dropping point of a PRU includes a host computer 100, a buoy 102 connected by wire to the host computer 100, and a PRU 104 located at the sea bottom. The buoy 102 moves more than three points from the water surface as shown in FIG. 1 and measures the distance to the PRU 104 at the bottom. The host computer 100 then determines the absolute position of the PRU 104 using a triangulation technique based on the measured distance information between the buoy 102 and the PRU 104 and the location information of the buoy 102. However, in the case of using the acoustic signal, since the position information of the geodetic PRU includes an error in the acoustic signal due to the error and the buoy motion caused by the blue wave, the precise position of the PRU 104 may be specified through the error elimination process. It becomes possible.

도 2는 도 1에 도시된 부이의 구체적인 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 부이(102)는 GPS 위성과 항만의 등대나 연안의 DGPS 보정국으로부터 반송파 위상 보정 신호를 수신하는 GPS 안테나(200), GPS 안테나(200)에 연결되어 위치 보상 정보를 수신하는 RTK-DGPS 보드(204), 부이의 자세를 계측하기 위한 자 세측정 센서(202), RTK-DGPS 보드(204)와 자세측정 센서(202)로부터의 계측 신호를 취합하여 아나로그 형태의 신호(GPS 안테나의 절대 위치 및 방위각, 부이의 횡요 및 종요각 등)를 디지털 형태의 신호로 변환하고 상기 디지털 계측 신호 및 사용자 설정 조건에 따라 분석하여 신호 송신수단의 절대 위치를 계산하는 DSP(206), 부이의 하단에 장착되어 PRU(104)로 음향 신호를 송신하기 위한 신호 송신수단(210), 및 배터리(208)를 구비한다. 신호 송신수단(210)은 핑어(pinger)로 구현될 수 있다. 2 is a view for explaining a specific configuration of the buoy shown in FIG. 2, the buoy 102 is connected to a GPS antenna 200 and a GPS antenna 200 for receiving a carrier phase correction signal from a GPS satellite, a lighthouse at a port, or a DGPS correction station on a coast, and receives position compensation information. The analog signal is collected by collecting the RTK-DGPS board 204, the posture sensor 202 for measuring the position of the buoy, and the RTK-DGPS board 204 and the posture measuring sensor 202. DSP (206) for converting (absolute position and azimuth angle of GPS antenna, horizontal yaw and longitudinal angle of buoy, etc.) into digital signal and analyzing it according to the digital measurement signal and user setting condition to calculate absolute position of signal transmission means And a signal transmitter 210 for mounting an acoustic signal to the PRU 104 at the bottom of the buoy, and a battery 208. The signal transmitting unit 210 may be implemented by a pinger.

도 3은 도 1에 도시된 PRU의 구체적인 구성을 설명하기 위한 도면이다. PRU(104)는 수면하 특정 위치, 또는 바닥에 위치 기준점으로서 배치되는 것이다. 이러한 PRU(104)는 도 3에 도시된 바와 같이 무게 중심으로서의 추(300;weight)와 신호 수신수단(302)으로 이루어진다. 이러한 신호 수신수단(302)은 트랜시버(transceiver)로 구현될 수 있으며, 신호 증폭부를 포함하는 것이 바람직하다. FIG. 3 is a diagram for describing a detailed configuration of the PRU shown in FIG. 1. The PRU 104 is disposed as a location reference point at a specific location under the water or at the bottom. This PRU 104 is composed of a weight (300) as a center of gravity and the signal receiving means 302 as shown in FIG. The signal receiving means 302 may be implemented as a transceiver, and preferably includes a signal amplifier.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 PRU의 위치 특정시스템은, 우선 부이에 장착된 GPS 안테나(200)를 이용하여, 도 5에 도시된 바와 같이, GPS 안테나(200)와 신호 송신수단(210)간의 기구학적 조건을 경사계 및 방위계 등을 통해 정밀하게 계측함으로써 신호 송신수단(210)의 위치를 정밀하게 계측한다. 그리고, 신호 송신수단(210)이 장착된 부이(102)를 수면에서 3지점 이상의 위치로 이동하여 PRU까지의 거리를 계측하게 된다. PRU까지의 거리 계측은 신호 송신수단(210)이 음향 신호를 수중으로 방사하면 신호 수신수단(302)이 이를 수신하고, 다시 호스트 컴퓨터(100)로 전송함으로써 이루어진다. 호스트 컴퓨터(100)는 3 지점 이상의 신 호 송신수단(210)과 신호 수신수단(302)간의 신호를 이용하여, 두 신호 사이의 시간 정보를 기초로 신호 송신수단(210)과 위치 기준점인 PRU의 신호 수신수단(302)간의 거리 정보를 추출하게 된다. 이어서 호스트 컴퓨터(100)는 거리 정보를 바탕으로 PRU의 위치를 삼각측량한다. 이렇게 측지된 PRU의 위치 결과에는 음향 신호에 포함된 오차와 파랑에 의한 부이의 운동 등에서 파생된 오차가 포함되어 있으므로, 이러한 위치 오차를 제거하기 위하여 최적 스무딩 기법을 이용하여 이러한 오차를 제거하여야 한다. As described above, the position specifying system of the PRU according to the present invention uses the GPS antenna 200 mounted on the buoy, as shown in FIG. 5, between the GPS antenna 200 and the signal transmitting means 210. By precisely measuring the kinematic conditions through an inclinometer, azimuth system, etc., the position of the signal transmission means 210 is precisely measured. In addition, the buoy 102 on which the signal transmission means 210 is mounted is moved to three or more positions on the water surface to measure the distance to the PRU. Distance measurement to the PRU is performed by the signal transmitting means 210 when the signal transmitting means 210 emits an acoustic signal underwater, and the signal receiving means 302 receives it and transmits it to the host computer 100 again. The host computer 100 uses a signal between the signal transmitting means 210 and the signal receiving means 302 at three or more points, and based on the time information between the two signals, The distance information between the signal receiving means 302 is extracted. The host computer 100 then triangulates the location of the PRU based on the distance information. Since the position result of the geodetic PRU includes errors derived from the acoustic signal and the buoy's motion due to the blue wave, it is necessary to remove these errors by using an optimal smoothing technique to remove such position errors.

이하, 본 발명에 따른 PRU의 위치 특정시스템 및 여기서 수행되는 위치특정방법에 대해 더욱 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a location specifying system of the PRU according to the present invention and a location specifying method performed therein will be described in more detail.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 PRU의 낙착지점 특정 시스템을 설명하기 위한 블록도이다. PRU의 낙착지점 특정 시스템은 계측수단(400), 해석수단(410) 및, 연산수단(420)으로 이루어진다. 4 is a block diagram illustrating a system for specifying a destination point of a PRU according to a preferred embodiment of the present invention. The fall point specifying system of the PRU includes a measuring means 400, an analyzing means 410, and a calculating means 420.

먼저, 계측수단(400)은 부이(102)에 장착되는 것으로서, 위치 계측부(402)와 경사 측정부(404)로 이루어지는데, 위치 계측부(402)는 도 2의 GPS 안테나(200)와 RTK-DGPS 보드(204)로 구현되고, 경사 측정부(404)는 자세측정 센서(202)로 구현될 수 있다. 위치 계측부(402)는 위도, 경도, 고도 정보와 기수각 정보 등을 실시간으로 해석수단(410)으로 보내고, 경사 측정부(404)는 부이의 자세에 대한 정보를 실시간으로 해석수단(410)으로 입력하게 된다. First, the measuring means 400 is mounted to the buoy 102, and consists of a position measuring unit 402 and the inclination measuring unit 404, the position measuring unit 402 is the GPS antenna 200 and RTK- of FIG. The DGPS board 204 may be implemented, and the tilt measurement unit 404 may be implemented by the posture measurement sensor 202. The position measuring unit 402 sends the latitude, longitude, altitude information and nose angle information to the analyzing means 410 in real time, and the inclination measuring unit 404 sends the information about the buoy's posture to the analyzing means 410 in real time. Will be entered.

다음으로, 해석수단(410)도 부이(102)에 장착되는 것으로서, A/D 변환부(412), 자세 해석부(414) 및, 위치 해석부(416)로 이루어진다. 이러한 A/D 변환부 (412), 자세 해석부(414) 및, 위치 해석부(416)는 도 2의 DSP(206)로 구현될 수 있다. A/D 변환부(412)는 계측수단(400)의 위치 계측부(402) 및 경사 측정부(404)로부터 보내온 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 기능을 한다. 자세 해석부(414)와 위치 해석부(416)는 A/D 변환부(412)로부터 전달된 정보를 기초로 부이의 자세 정보를 고려하여 부이, 즉 신호 송신수단의 위치 정보를 계산한다. 삼각측량을 위해 부이가 3 지점 이상에서 이동하므로, 위치 정보 계산은 각 지점에 대해 수회 반복 수행한다. Next, the analysis means 410 is also attached to the buoy 102, and consists of an A / D conversion unit 412, a posture analysis unit 414, and a position analysis unit 416. The A / D converter 412, the attitude analyzer 414, and the position analyzer 416 may be implemented by the DSP 206 of FIG. 2. The A / D converter 412 functions to convert analog signals sent from the position measuring unit 402 and the tilt measuring unit 404 of the measuring unit 400 into digital signals. The posture analyzing unit 414 and the position analyzing unit 416 calculate buoys, that is, positional information of the signal transmitting unit, in consideration of posture buoy information based on the information transmitted from the A / D converter 412. Since buoys move at three or more points for triangulation, the position information calculation is repeated several times for each point.

연산수단(420)은 도 1의 호스트 컴퓨터(100)로 구현되는 것으로서, 거리 환산부(422), 삼각측량 연산부(424), 오차 제거부(426) 및, 오차분석부(428)를 포함한다. 거리 환산부(422)는 부이(102)의 신호 송신수단(210)에서 방사된 신호가 PRU(104)의 신호 수신수단(302) 까지 도달되기 까지의 시간 정보를 기초로, 신호 송신수단(210)과 신호 수신수단(302)간의 거리 정보를 추출한다. 삼각측량 연산부(424)는 거리 환산부(422)로부터 입력된 3지점 이상의 위치에서 신호 송신수단과 신호 수신수단간의 거리 정보 및 위치 해석부(416)로부터 입력된 3지점 이상의 위치에서의 신호 송신수단의 위치 정보를 이용하여 PRU의 위치를 삼각 측량한다. 오차 제거부(426)는 음향 신호의 오차 성분과 파랑에 의한 오차 성분을 최적스무딩 기법을 이용하여 제거하고, 오차분석부(428)는 수면 상 부이의 계측 위치에 따라 오차를 분석하는 기능을 한다. The computing means 420 is implemented by the host computer 100 of FIG. 1, and includes a distance calculator 422, a triangulation calculator 424, an error remover 426, and an error analyzer 428. . The distance conversion unit 422 is based on the time information until the signal emitted from the signal transmitting means 210 of the buoy 102 to the signal receiving means 302 of the PRU 104, the signal transmitting means 210 ) And the distance information between the signal receiving means 302 is extracted. The triangulation calculation unit 424 is a signal transmitting means at three or more positions input from the position analysis unit 416 and the distance information between the signal transmitting means and the signal receiving means at three or more positions inputted from the distance converting unit 422. Triangulate the location of the PRU using the location information. The error remover 426 removes the error component of the sound signal and the error component due to the blue wave by using an optimal smoothing technique, and the error analyzer 428 analyzes the error according to the measurement position of the buoy on the surface of the water. .

이 때, 삼각측량 연산부(424)에서 수행되는 삼각측량은 간접 되먹임 상태 변수를 이용하는 최소 자승법을 이용한다. 도 6은 부이의 다점 측위에 의한 PRU의 삼 각 측량을 설명하기 위한 도면이다. 간접 되먹임 상태 변수를 이용하여 최소 자승법을 이용한 삼각 측량의 계산과정은 다음과 같다.In this case, the triangulation performed by the triangulation calculator 424 uses a least square method using an indirect feedback state variable. 6 is a view for explaining triangulation of a PRU by multi-point positioning of buoys. The calculation process of triangulation using least square method using indirect feedback state variables is as follows.

PRU와 신호 송신수단 사이의 거리 측정치와 PRU와의 관계식은 다음과 같다. The relationship between the distance measurement value between the PRU and the signal transmission means and the PRU is as follows.

Figure 112005027555755-pat00001
Figure 112005027555755-pat00001

[xi yi zi]T : Cartesian 좌표계에서의 i번째 PRU의 위치[x i y i z i ] T : Position of the i th PRU in the Cartesian coordinate system

u = [xu yu zu]T : Cartesian 좌표계에서의 신호 송신수단의 위치u = [x u y u z u ] T : Position of signal transmission means in Cartesian coordinate system

PRU와 신호 송신수단를 통해 계측된 거리 정보는 잡음이 포함된 측정치이다. 3차원 공간에서 거리 측정치가 정확할 경우, 3개의 위치 기준점과 신호 송신수단 간의 위치는 수학식 1의 양변을 제곱한 후 변변 정리하면 닫힌 형태의 해를 얻을 수 있다. 하지만 일반적으로 거리 측정치에는 오차가 포함되어 있기 때문에 닫힌 형태의 해는 얻을 수 없다. 그리고 측정치에 포함된 오차를 줄여 보다 정확한 위치를 얻기 위하여 4개 이상의 측정치를 사용할 수 있는데, 이 경우 다음과 같은 시선 벡터(line of sight vector)를 이용한 최소 자승 추정법을 사용하여 위치를 얻을 수 있다. 본 발명에서는 이를 "ρi = ri + v"로 모델링한다. 여기서 ρi는 i번째 수행에서 얻은 거리 정보를 의미하고, r은 실제 오차가 포함되지 않은 위치기준점(PRU)과 i번째 송신수단 위치와의 거리를, 그리고 v는 랜덤한 잡음을 의미한다. 이를 이용하여 본 발명에서는 일단 측정치에 포함되어 있는 오차를 무시하고, 최소 자승 추정법(LSE: Least Square Estimator)을 이용하여 위치를 산출한 다음, 계산된 위치 정보를 간접 되먹임하여 오차 성분을 제거해나가는 방법을 사용한다.The distance information measured by the PRU and the signal transmission means is a measurement including noise. When the distance measurement value is accurate in the three-dimensional space, the position between the three position reference points and the signal transmission means is squared on both sides of Equation 1, and the sides are arranged to obtain a closed solution. In general, however, closed-circuit solutions cannot be obtained because the distance measurements contain errors. In order to reduce the error included in the measured values, more than four measured values may be used. In this case, the least squares estimation method using a line of sight vector may be used to obtain a position. In the present invention, this is modeled as "ρ i = r i + v". Where ρ i denotes the distance information obtained in the i th performance, r denotes the distance between the position reference point (PRU) and the i th transmission means position that does not include the actual error, and v denotes random noise. In the present invention, a method of ignoring an error included in a measurement value, calculating a location using a least square estimator (LSE), and then removing the error component by indirectly feedbacking the calculated location information. Use

이전 단계에서 추정한 위치기준점(PRU)의 위치

Figure 112005027555755-pat00002
에서 ρi를 테일러 급수로 전개하면 다음과 같다.The location of the location control point (PRU) estimated in the previous step
Figure 112005027555755-pat00002
Expanding ρ i to the Taylor series at

Figure 112005027555755-pat00003
Figure 112005027555755-pat00003

여기서

Figure 112005027555755-pat00004
Figure 112005027555755-pat00005
을 이용하여 계산된 PRU와 신호 송신수단 사이의 거리이며, 수학식 2에서 2차항 이상을 무시하고 n개의 신호 송신수단의 위치에 대하여 전개하면 다음과 같은 선형화된 측정식을 얻을 수 있다.here
Figure 112005027555755-pat00004
Is
Figure 112005027555755-pat00005
It is the distance between the PRU and the signal transmitting means calculated using the equation, and the linearized measurement equation can be obtained by ignoring the quadratic term or more in Equation 2 and expanding the position of the n signal transmitting means.

Figure 112005027555755-pat00006
Figure 112005027555755-pat00006

여기서 hi는 i번째 신호 송신수단의 위치와 PRU간의 시선벡터이며 다음과 같다.Where h i is the gaze vector between the position of the i-th signal transmission means and the PRU and is as follows.

Figure 112005027555755-pat00007
Figure 112005027555755-pat00007

수학식 3을 이용하여 위치기준점의 위치는 다음과 같이 구할 수 있으며, 정확도를 향상시키기 위하여 이 과정을 반복적으로 수행한다.Using Equation 3, the position of the position reference point can be obtained as follows, and this process is repeatedly performed to improve the accuracy.

Figure 112005027555755-pat00008
Figure 112005027555755-pat00008

상술한 간접되먹임 최소자승추정법에 의하여 위치기준점(PRU)의 위치를 특정할 수 있다. 하지만 최소자승 추정법의 한계로 인하여, 계산된 위치기준점(PRU)의 위치에는 아직도 많은 오차가 남아 있으므로, 본 발명에서는 최적 스무딩 기법을 이용하여 위치기준점(PRU)을 보다 정확하게 특정하도록 한다.The location of the location reference point PRU may be specified by the indirect feedback least squares estimation described above. However, due to the limitation of the least-squares estimation method, since a large amount of error still remains in the calculated position of the reference point (PRU), the present invention allows the specification of the position reference point (PRU) more accurately by using an optimal smoothing technique.

거리 계측과정에서 포함된 랜덤 오차성분에 의해 최소자승 추정법으로 얻어진 위치 정보에는 여전히 오차성분이 포함되어 있어, 이를 랜덤워크(random walk process)로 가정한다. 따라서 랜덤 오차에 의한 위치 오차는 도 7과 같이 도식화할 수 있다.The position information obtained by the least-squares estimation method by the random error component included in the distance measurement process still includes the error component, which is assumed to be a random walk process. Therefore, the position error due to the random error can be plotted as shown in FIG.

상기 시스템을 연속 시간 미분방정식으로 나타내면 수학식 6과 같다.The system is represented by the equation of continuous time differential equation (6).

Figure 112005027555755-pat00009
Figure 112005027555755-pat00009

여기서, x, y, z는 각각의 X, Y, Z 방향의 위치오차이다. Here, x, y and z are positional errors in the respective X, Y and Z directions.

위 미분 방정식을 최적 스무더에 적용하기 위하여 다시 이산 시간 미분 방정 식으로 나타내면 수학식 7과 같다.In order to apply the above differential equation to the optimum smoother, it is expressed as a discrete time differential equation.

Figure 112005027555755-pat00010
Figure 112005027555755-pat00010

그리고, 이와 같은 LBL 시스템을 위한 관측 모델은 아래와 같이 구성할 수 있는데, 관측식은 상기 시스템으로 추정한 위치를 삼각측량을 통해 얻은 위치 정보를 빼주고, 여기에 스무더 이득을 곱하여 보상하는 위치 오차 제거 과정을 거친다. 앞서 기술한 바와 같이 위치기준점(PRU)과 i번째 신호 송신수단 간의 거리 관계식은 수학식 1과 같다.In addition, the observation model for the LBL system can be configured as follows. The observation formula subtracts the position information obtained through triangulation of the position estimated by the system, and removes the position error compensation process by multiplying the smoother gain. Rough As described above, the distance relation between the position reference point (PRU) and the i-th signal transmitting means is expressed by Equation 1 below.

Figure 112005027555755-pat00011
Figure 112005027555755-pat00011

여기서 ρi는 i-번째 송신수단 위치에서 계측한 위치기준점(PRU)의 거리를 의미하며,

Figure 112005027555755-pat00012
는 i-번째 음향 송신수단 위치와 위치기준점(PRU)의 거리를 수학식 6을 이용하여 추정한 결과이다. 그리고 Hi는 관측식을 구성하는 i-번째 신호 송신수단 위치에 관한 수학식 3에서 얻은 행벡터를 의미하고, 마지막 V는 관측식에 포함된 백색 가우시안(Gaussian) 잡음을 의미한다.Where ρ i is the distance of the position reference point (PRU) measured from the position of the i-th transmission means,
Figure 112005027555755-pat00012
Is a result of estimating the distance between the i-th sound transmitting means position and the position reference point (PRU) using Equation 6. H i denotes a row vector obtained from Equation 3 regarding the position of the i-th signal transmitter constituting the observation equation, and the last V denotes white Gaussian noise included in the observation equation.

본 발명에서는 이상과 같이 모델링된 LBL 시스템을, 하기한 스무딩 알고리즘을 이용하여 위치 오차를 걸러내는 과정을 거쳐 PRU의 정확한 위치를 특정한다.In the present invention, the LBL system modeled as described above is used to specify the exact position of the PRU through the process of filtering out the position error using the smoothing algorithm described below.

본 발명에서 스무딩 기법이란 다음과 같이 정리할 수 있다.Smoothing technique in the present invention can be summarized as follows.

스무딩의 기본 개념은 임의의 시점 tk에서 상태 변수 추정을 그 이후의 측정치까지 이용하는 방법으로 다음의 두 식은 칼만 필터와 스무더의 차이를 나타낸다.The basic concept of smoothing is to use state variable estimation at any point in time t k up to subsequent measurements. The following two equations represent the difference between a Kalman filter and a smoother.

Figure 112005027555755-pat00013
Figure 112005027555755-pat00013

Figure 112005027555755-pat00014
Figure 112005027555755-pat00014

여기서, Zk = {z1,z1,...,z1}로 k 번째까지의 모든 측정치를 의미한다.Here, Z k = {z 1 , z 1 , ..., z 1 } means all measurements up to the kth.

수학식 10에서

Figure 112005027555755-pat00015
를 추정하기 위하여 이후의 측정치를 사용하기 때문에 실시간으로 스무딩 기법을 적용하기는 사실상 불가능하나, 본 발명과 같이 먼저 거리 정보를 계측한 후 PRU의 위치 정보를 후처리하여 얻는 경우 상기 수학식 10과 같은 구성이 가능하고, 이를 이용하면 추정 정밀도가 향상된다. 따라서 본 발명에서 사용할 고정 구간 스무더에 관한 내용을 아래와 같이 기술한다.In equation (10)
Figure 112005027555755-pat00015
It is virtually impossible to apply the smoothing technique in real time because the following measurement values are used to estimate. However, when the distance information of the PRU is measured after the distance information is first obtained, as shown in Equation 10, It is possible to configure, and using this improves the estimation accuracy. Therefore, a description of the fixed section smoother to be used in the present invention as follows.

본 발명에서는 PRU의 위치 특정 시스템에 관한 위치 오차에 관한 시스템을 선형 시스템으로 고려하였으나, PRU와 신호 송신수단 간의 거리 관계식이 비선형이므로 다음과 같은 간접 되먹임 비선형 스무딩 기법을 사용한다.In the present invention, the system related to the position error of the PRU's position specifying system is considered as a linear system. However, since the distance relation between the PRU and the signal transmitting means is nonlinear, the following indirect feedback nonlinear smoothing technique is used.

스무더를 구현하는 다양한 방법 중에서 본 발명에서는 하나의 실시예로서 전방 필터(forward filter)와 후방 필터(backward filter)의 두 개의 필터로 구성하는 방법을 취하고, 두 필터의 출력을 이용하여 스무딩된 최종적인 상태 변수 추정치를 계산하는 구조를 갖는 최적 스무더를 이하와 같이 기술한다. 위치 특정 시스템이 비선형 시스템이므로 전방 필터로는 일반적인 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter) 알고리즘을 사용하고, 후방 필터로는 전방 필터로 계산된 위치 정보를 선형화 기준점으로 삼는 선형화 칼만 필터 알고리즘을 사용한다. 이에 대한 결과를 다음과 같이 기술한다.Among the various methods of implementing the smoother, the present invention takes a method consisting of two filters, a forward filter and a backward filter, as an embodiment, and the final smoothed using the outputs of the two filters. An optimum smoother having a structure for calculating the state variable estimate is described as follows. Since the position-specific system is a nonlinear system, a general extended Kalman Filter algorithm is used as a front filter, and a linearized Kalman filter algorithm is used as a linearization reference point based on the position information calculated by the front filter. The result is described as follows.

비선형 스무딩에 사용될 전방 필터는 확장 칼만 필터의 필터 변수가 상태 변수 오차로 구현되었기 때문에 그 결과를 그대로 사용한다. 후방 필터는 상태 변수의 오차에 대한 식으로 수정하여 사용하며 결과는 다음과 같다.The forward filter to be used for nonlinear smoothing uses the result as it is because the filter variable of the Extended Kalman filter is implemented as a state variable error. The rear filter is used to correct the error of the state variable and the result is as follows.

Figure 112005027555755-pat00016
Figure 112005027555755-pat00016

여기서,

Figure 112005027555755-pat00017
를 노미널(nominal) 상태 변수 xn과 교란된(perturbed) 양
Figure 112005027555755-pat00018
로 분리하여 정리한 것이다. 만일, 수학식 11에서, xn(τ)로 전방 필터 결과인
Figure 112005027555755-pat00019
를 사용하고, 수학식 13을 이용하여 정리하면 다음과 같이
Figure 112005027555755-pat00020
에 대한 식을 얻을 수 있다.here,
Figure 112005027555755-pat00017
Is the amount perturbed with the nominal state variable x n
Figure 112005027555755-pat00018
It is separated and organized as. In Equation (11), x n (τ) is the forward filter result.
Figure 112005027555755-pat00019
If you use the following equation (13),
Figure 112005027555755-pat00020
You can get the expression for.

Figure 112005027555755-pat00021
Figure 112005027555755-pat00021

공분산 행렬에 대한 전파는 다음과 같다.The propagation for the covariance matrix is

Figure 112005027555755-pat00022
Figure 112005027555755-pat00022

측정치에 의한 업데이트는 측정치가 있는 시점에서 전방 필터 및 후방 필터의 관계를 이용하여 얻을 수 있다. 특히, 후방 필터에서는 선형화를 위한 기준궤적으로 전방 필터의 추정치를 이용한다는 사실에 주목해야 한다. 후방 필터의 갱신된 추정치

Figure 112005027555755-pat00023
는 전방 필터의 추정치를 기준 궤적으로 사용할 때, 다음과 같이 나타낼 수 있다.The update by the measurement can be obtained by using the relationship between the front filter and the rear filter at the time of the measurement. In particular, it should be noted that the rear filter uses the estimate of the front filter as a reference trajectory for linearization. Updated estimate of the back filter
Figure 112005027555755-pat00023
When using the estimated value of the forward filter as a reference trajectory, can be expressed as follows.

Figure 112005027555755-pat00024
Figure 112005027555755-pat00024

여기서

Figure 112005027555755-pat00025
는 상태변수에서 교란 값으로 우리가 사용할 후방 필터의 필터 상태변수를 나타낸다.here
Figure 112005027555755-pat00025
Denotes the filter state variable of the rear filter we will use as a disturbance value in the state variable.

Figure 112005027555755-pat00026
Figure 112005027555755-pat00026

수학식 14는 수학식 15를 이용하여 다음과 같이 정리할 수 있다.Equation 14 can be arranged as follows using Equation 15.

Figure 112005027555755-pat00027
Figure 112005027555755-pat00027

여기서,

Figure 112005027555755-pat00028
이다.here,
Figure 112005027555755-pat00028
to be.

위 식으로부터

Figure 112005027555755-pat00029
에 대한 관계식을 유도하면 다음과 같다.From the above equation
Figure 112005027555755-pat00029
If we derive the relation for,

Figure 112005027555755-pat00030
Figure 112005027555755-pat00030

상태 변수의 공분산 행렬에 대한 갱신식은 수학식 18을 사용한다.The update equation for the covariance matrix of the state variable uses Equation 18.

Figure 112005027555755-pat00031
Figure 112005027555755-pat00031

이제까지 유도한 후방 필터에 대한 알고리즘을 정리하면 다음과 같다.The algorithm for the derived rear filters is as follows.

Figure 112005027555755-pat00032
Figure 112005027555755-pat00032

Figure 112005027555755-pat00033
Figure 112005027555755-pat00033

Figure 112005027555755-pat00034
Figure 112005027555755-pat00034

Figure 112005027555755-pat00035
Figure 112005027555755-pat00035

위와 같은 방법으로

Figure 112005027555755-pat00036
를 추정한 후 이 결과를 전방 필터 추정치인
Figure 112005027555755-pat00037
와 결합하는 스무딩 알고리즘은 다음과 같다.In the same way as above
Figure 112005027555755-pat00036
After estimating the
Figure 112005027555755-pat00037
The smoothing algorithm combined with

Figure 112005027555755-pat00038
Figure 112005027555755-pat00038

여기서

Figure 112005027555755-pat00039
이다.here
Figure 112005027555755-pat00039
to be.

참고로 본 발명에서 사용하는 선형화 칼만 필터(Linearized Kalman Filter)와 확장 칼만필터(Extended Kalman Filter)는 다음과 같다.For reference, the linearized Kalman filter and the extended Kalman filter used in the present invention are as follows.

선형화 칼만 필터는 비선형 시스템의 상태변수를 추정하기 위하여 기준 궤적이 주어진 경우에 사용한다.The linearized Kalman filter is used when a reference trajectory is given to estimate the state variables of a nonlinear system.

시스템 및 측정치 모델을 다음과 같이 가정한다.Assume the system and measurement model is as follows.

Figure 112005027555755-pat00040
Figure 112005027555755-pat00040

Figure 112005027555755-pat00041
Figure 112005027555755-pat00041

필터로부터 오차

Figure 112005027555755-pat00042
를 추정한 후 상태변수 추정치
Figure 112005027555755-pat00043
는 다음과 같이 계산한다.Error from filter
Figure 112005027555755-pat00042
Estimate of state variables
Figure 112005027555755-pat00043
Calculate as

Figure 112005027555755-pat00044
Figure 112005027555755-pat00044

초기 조건 및 가정 :

Figure 112005027555755-pat00045
Initial conditions and assumptions:
Figure 112005027555755-pat00045

Propagation : Propagation:

Figure 112005027555755-pat00046
Figure 112005027555755-pat00046

Figure 112005027555755-pat00047
Figure 112005027555755-pat00047

Update: t = t+ k Update: t = t + k

Figure 112005027555755-pat00048
Figure 112005027555755-pat00048

Figure 112005027555755-pat00049
Figure 112005027555755-pat00049

Figure 112005027555755-pat00050
Figure 112005027555755-pat00050

여기서,

Figure 112005027555755-pat00051
here,
Figure 112005027555755-pat00051

확장 칼만 필터는 비선형 시스템을 선형화하는데 사용하는 기준 궤적이 미리 주어지지 않고 필터를 이용하여 추정된 상태 변수를 이용하여 기준 궤적을 생성한다. 비선형 시스템의 시스템 모델 및 측정치 모델은 수학식 24, 수학식 25로 주어진 것을 가정한다. 확장 칼만 필터에서는 tk≤t<tk+1에서 기준 궤적을 k번째 측정치를 이용하여 생성된

Figure 112005027555755-pat00052
를 초기치로 하여 다음과 같이 생성한다.The extended Kalman filter does not have a reference trajectory used to linearize a nonlinear system in advance, but generates a reference trajectory using the estimated state variable using the filter. The system model and the measurement model of the nonlinear system are assumed to be given by Equations (24) and (25). In the Extended Kalman filter, the reference trajectory is generated using the k th measurement at t k ≤ t <t k + 1 .
Figure 112005027555755-pat00052
Create an initial value as follows.

Figure 112005027555755-pat00053
Figure 112005027555755-pat00053

k번째 측정치를 이용하여 추정된 상태 변수

Figure 112005027555755-pat00054
에 대한 오차 추정치 δ
Figure 112005027555755-pat00055
는 칼만 필터가 최적 필터이기에 0(zero)이 된다.State Variables Estimated Using the kth Measurement
Figure 112005027555755-pat00054
Error estimate for δ
Figure 112005027555755-pat00055
Is zero because the Kalman filter is an optimal filter.

따라서, tk≤t<tk+1에서 상태변수 오차에 대한 전파 식은 다음과 같다.Therefore, the propagation equation for the state variable error at t k ≤ t <t k + 1 is as follows.

Figure 112005027555755-pat00056
Figure 112005027555755-pat00056

위 식으로부터 확장 칼만 필터 알고리즘에서 간접 되먹임 방법을 사용할 경우 오차에 대한 전파가 필요하지 않음을 알 수 있다.From the above equation, it can be seen that when the indirect feedback method is used in the extended Kalman filter algorithm, the propagation of the error is not necessary.

초기 조건 및 가정:

Figure 112005027555755-pat00057
Initial Conditions and Assumptions:
Figure 112005027555755-pat00057

Propagation : t+ k-1≤t<t- k Propagation: t + k-1 ≤t <t - k

Figure 112005027555755-pat00058
Figure 112005027555755-pat00058

Figure 112005027555755-pat00059
Figure 112005027555755-pat00059

Figure 112005027555755-pat00060
Figure 112005027555755-pat00060

Figure 112005027555755-pat00061
Figure 112005027555755-pat00061

Figure 112005027555755-pat00062
Figure 112005027555755-pat00062

여기서,

Figure 112005027555755-pat00063
here,
Figure 112005027555755-pat00063

부연하자면, 지금까지 유도한 확장 칼만 필터는 비선형 시스템에 적용되는 간접 되먹임 방식과 매우 유사한 구조를 갖게 된다.In other words, the extended Kalman filter derived so far has a structure very similar to the indirect feedback method used in nonlinear systems.

하지만 실제로 수면상 부이의 계측 지점이 불량할 경우, 위치기준점(PRU)과 부이에 장착된 신호 송신수단의 기하학적 배치에 따른 오차는 본 발명이 제공하는 위치 특정 시스템의 오차의 주된 성분이므로, 이러한 기하학적 배치에 따른 오차(DOP: Dilution of Precision)를 분석하는 도구를 하기한다.However, if the measurement point of the buoy on the water surface is actually poor, the error due to the geometric arrangement of the position reference point (PRU) and the signal transmission means mounted on the buoy is a main component of the error of the position-specific system provided by the present invention. A tool to analyze the dilution of precision (DOP) is described below.

도 8은 DOP에 의한 위치 오차 발생 예를 설명하는 도면으로서, 도 8a는 우수한 DOP를, 도 8b는 나쁜 DOP를 나타낸다. FIG. 8 is a view for explaining an example of position error caused by DOP. FIG. 8A shows a good DOP, and FIG. 8B shows a bad DOP.

LBL의 오차 요인은 여러 가지가 있을 수 있는데 위치 기준점과 수신수단간의 배치에 따른 오차 성분은 다음과 같이 추정할 수 있다. LBL의 오차 분석을 위하여 다음과 같은 에러의 공분산을 유도한다. 먼저 측정치와 측정 오차는 다음과 같다.There can be various error factors of LBL. The error component according to the arrangement between the position reference point and the receiving means can be estimated as follows. For error analysis of LBL, covariance of error is derived. First, the measured value and the measurement error are as follows.

Figure 112005027555755-pat00064
Figure 112005027555755-pat00064

따라서 잡음이 포함된 위치의 추정치는 다음과 같다.Therefore, the estimate of the location with noise is as follows.

Figure 112005027555755-pat00065
Figure 112005027555755-pat00065

그리고 잡음의 평균이 0인 경우 위치 추정치의 기대값은 다음과 같다.If the mean of the noise is zero, the expected value of the position estimate is as follows.

Figure 112005027555755-pat00066
Figure 112005027555755-pat00066

따라서 상기 관계를 이용하여 추정 오차의 공분산을 다음과 같이 유도할 수 있다.Therefore, the covariance of the estimation error can be derived as follows using the above relationship.

여기서 V = (HTH)-1라 하면 기하학적 배치에 따른 위치 오차, 수평면 오차, 수직 오차 등은 다음과 같이 얻어진다.If V = (H T H) -1 , position error, horizontal error, and vertical error due to the geometrical arrangement are obtained as follows.

Figure 112005027555755-pat00068
Figure 112005027555755-pat00068

일반적으로 상기 식을 다음과 같은 용어로 지칭한다.In general, the above formula is referred to as the following terms.

Figure 112005027555755-pat00069
Figure 112005027555755-pat00069

즉, VDOP는 부이의 기하학적 배치에 따른 수직방향의 위치 오차 성분의 크기를, HDOP는 부이의 기하학적 배치에 따른 수평면 상의 위치 오차 성분을, 그리고 PDOP는 3차원 공간에서 위치 오차 성분의 크기를 의미한다. 즉 부이을 이동하면서 PRU까지의 거리를 계측할 때, 가능하면 상술한 DOP가 작아지도록 계측지점을 정하는 것이 PRU의 위치를 특정함에 있어 정밀도를 높일 수 있다.That is, VDOP refers to the size of the position error component in the vertical direction according to the buoy's geometrical arrangement, HDOP refers to the position error component on the horizontal plane according to the buoy's geometrical arrangement, and PDOP refers to the size of the position error component in the three-dimensional space. . In other words, when measuring the distance to the PRU while moving the buoy, it is possible to increase the accuracy in specifying the position of the PRU by determining the measurement point so that the above-mentioned DOP as small as possible.

본 발명에서는 상술한 과정 및 방법을 이용하여 LBL 위치 특정 시스템의 위치기준점(PRU)의 위치를 특정하게 된다.In the present invention, the location of the location reference point (PRU) of the LBL location specifying system is specified using the above-described process and method.

본 발명에 의한 PRU의 위치 특정방법 및 위치 특정시스템은, 부이를 이용한 이동식 PRU의 사용을 가능케 하고, PRU의 설치를 위한 추가적인 말뚝 설치 비용이 소요되지 않으며, PRU의 낙착 지점을 크게 고려하지 않고 대상 해역에 투하한 후 PRU의 정확한 위치를 얻을 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명은 수면 상 부이의 계측 위치에 따른 오차의 분석 도구도 함께 제공하므로 위치 정확도와 신뢰도가 개선되는 효과가 있다. The location identification method and location identification system of the PRU according to the present invention enables the use of a mobile PRU using buoys, does not require additional pile installation cost for the installation of the PRU, and does not consider the point where the PRU falls off. After dropping in the sea, it is effective to obtain the exact location of the PRU. In addition, the present invention also provides an analysis tool of the error according to the measurement position of the buoy on the surface, thereby improving the position accuracy and reliability.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation by a person of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of this invention is carried out. This is possible.

Claims (9)

안테나 및 신호 송신수단이 장착된 수면상의 부이를 이용하여 신호 수신수단이 장착된 수면하 PRU의 위치를 특정하는 방법에 있어서, In the method of specifying the position of the sub-sleep PRU equipped with the signal receiving means using the buoy on the surface equipped with the antenna and the signal transmitting means, (a) 상기 안테나의 위치를 계측하는 단계;(a) measuring the position of the antenna; (b) 상기 안테나와 상기 신호 송신수단간의 길이정보 및 상기 부이의 자세정보를 이용하여 상기 신호 송신수단의 위치를 특정하는 단계; (b) specifying a position of the signal transmission means using length information between the antenna and the signal transmission means and attitude information of the buoy; (c) 상기 신호 송신수단과 상기 신호 수신수단의 거리를 계측하는 단계;(c) measuring a distance between the signal transmitting means and the signal receiving means; (d) 상기 부이를 적어도 3 지점 이상 이동시키면서 상기 (b) 단계 및 (c) 단계를 반복하는 단계;(d) repeating steps (b) and (c) while moving the buoy at least three points; (e) 적어도 3 지점 이상에서의 신호 송신수단의 위치정보 및 신호 송신수단과 신호 수신수단과의 거리정보를 기초로 상기 PRU의 위치를 삼각 측량하는 단계 및;(e) triangulating the position of the PRU based on the position information of the signal transmitting means and at least three points of distance information between the signal transmitting means and the signal receiving means; (f) 측량된 상기 PRU 위치에서 오차를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 특정방법. (f) removing the error in the surveyed PRU location. 제1항에 있어서, 상기 안테나는 GPS 안테나인 것을 특징으로 하는 위치 특정방법. The method of claim 1, wherein the antenna is a GPS antenna. 제1항에 있어서, 상기 (e) 단계는, The method of claim 1, wherein step (e) (e1) 임의의 신호 송신수단과 PRU간의 거리를 추정하는 단계;(e1) estimating the distance between any signal transmitting means and the PRU; (e2) 최소 자승 추정법을 이용하여 PRU의 위치를 구하는 단계 및;(e2) finding a location of the PRU using least squares estimation; (e3) 구해진 PRU의 위치와 이전에 구해진 PRU의 위치와의 차이가 소정 오차 한계보다 클 경우 구해진 PRU의 위치를 (e1) 단계에 대입하여 (e2) 및 (e3) 단계를 반복하고, 소정 오차 한계보다 작을 경우 구해진 PRU의 위치를 결과로 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 특정방법. (e3) If the difference between the position of the obtained PRU and the position of the previously obtained PRU is larger than the predetermined error limit, the positions of the obtained PRU are substituted into step (e1), and the steps (e2) and (e3) are repeated, and the predetermined error Calculating a position of the obtained PRU as a result when the limit is smaller than the limit. 제1항에 있어서, 상기 (f) 단계에 있어서, 오차의 제거는 최적 스무더를 이용하는 것을 특징으로 하는 위치 특정방법. 2. The method of claim 1, wherein in step (f), the removal of errors uses an optimum smoother. 신호 송신수단이 장착된 수면상의 부이를 이용하여 신호 수신수단이 장착된 수면하 PRU의 위치를 특정하는 시스템에 있어서, In the system for specifying the position of the sub-sleep PRU equipped with the signal receiving means using the buoy on the surface equipped with the signal transmitting means, 상기 부이의 위치를 계측하는 위치 계측부 및, 상기 부이의 자세를 측정하는 경사 측정부를 갖는 계측수단;Measuring means having a position measuring unit for measuring the position of the buoy and an inclination measuring unit measuring the posture of the buoy; 상기 계측수단으로부터 입력된 위치정보 및 자세정보를 기초로 적어도 3 지점 이상에서의 상기 신호 송신수단의 위치를 특정하는 해석수단 및;Analysis means for specifying the position of the signal transmitting means at least three points or more based on the positional information and the attitude information inputted from the measuring means; 적어도 3 지점 이상에서의 신호 송신수단의 위치정보 및 적어도 3 지점 이상에서 계측된 신호 송신수단과 신호 수신수단과의 거리정보를 기초로 상기 PRU의 위치를 삼각 측량하고, 측량된 상기 PRU 위치에서 오차를 제거하는 연산수단을 구비한 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.Triangulate the position of the PRU based on the positional information of the signal transmitting means at least three points and the distance information between the signal transmitting means and the signal receiving means measured at at least three points, and error in the measured PRU position. Position specifying system, characterized in that it comprises a calculation means for removing. 제5항에 있어서, 상기 위치 계측부가 RTK-DGPS 장비인 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.The position specifying system according to claim 5, wherein the position measuring unit is an RTK-DGPS device. 제5항에 있어서, 상기 경사 측정부가 자세측정 센서인 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.The position specifying system according to claim 5, wherein the inclination measuring unit is a posture measuring sensor. 제5항에 있어서, 상기 연산수단은, The method of claim 5, wherein the calculating means, 적어도 3 지점 이상에서의 신호 송신수단과 신호 수신수단과의 거리를 계산하는 거리 환산부;A distance converting unit for calculating a distance between the signal transmitting means and the signal receiving means at least three points; 상기 거리 환산부에서 계산된 거리정보 및 적어도 3 지점 이상에서의 신호 송신수단의 위치정보를 기초로 간접 되먹임 최소자승 추정법을 이용하여 상기 PRU의 위치를 삼각 측량하는 삼각측량 연산부 및;A triangulation calculator configured to triangulate the position of the PRU using an indirect feedback least-squares estimation method based on the distance information calculated by the distance calculator and the position information of the signal transmitting means at least three points; 측량된 상기 PRU 위치에서 최적 스무더를 이용하여 오차를 제거하는 오차 제거부를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.And an error removal unit for canceling an error using an optimum smoother at the surveyed PRU location. 제8항에 있어서, 상기 연산수단은 이미 알려진 상기 PRU의 위치정보를 갖고서 상기 PRU의 위치오차를 분석하는 오차 분석부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.The position specifying system according to claim 8, wherein the calculating means further comprises an error analyzing unit which analyzes a position error of the PRU having known position information of the PRU.
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