KR100944417B1 - 방향 센서와 ｇｐｓ를 이용한 천문정보 획득 시스템 - Google Patents

방향 센서와 ｇｐｓ를 이용한 천문정보 획득 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방향 센서와 GPS를 이용한 천문정보 획득 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방향 센서와 GPS를 이용하여 사용자가 단순히 천체를 지향함으로써 해당 천체에 대한 천문정보를 획득할 수 있도록 하는 시스템에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 천체에 대한 천문정보가 적경 및 적위에 대응하여 저장된 메모리수단, 지자기의 방향을 검출하고 지향방향의 방위각을 측정하는 지자기 센서와 중력의 방향을 검출하고 지향방향의 고도각을 측정하는 기울기 센서를 포함하는 방향 센서 모듈, GPS위성으로부터 신호를 수신하여 상기 방향센서 모듈의 위치 및 현재 시간을 추출하는 GPS 모듈, 및 상기 지자기 센서 및 상기 기울기 센서로부터 방위각 및 고도각에 대한 정보를 수신하고 상기 GPS 모듈로부터 위치 및 시간에 대한 정보를 수신하여 상기 방향 센서 모듈이 지향하는 천구상 지점의 적경 및 적위를 연산하고 상기 연산된 적경 및 적위을 키로 사용하여 상기 메모리수단에서 천문정보를 검색하여 디스플레이하는 마이크로 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
지자기 센서, 기울기 센서, 방향 센서 모듈, GPS, 적경, 적위, 방위각, 고도각

Description

방향 센서와 ＧＰＳ를 이용한 천문정보 획득 시스템 {An astronomical information acquisition system using direction sensor and GPS}
도 1은 본 발명에 따른 천문정보 획득 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에서 따른 적경과 적위의 계산과정을 나타내는 개략도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 하우징 20 : 센서부
21 : 방향 센서 모듈 22 : 지자기 센서
23 : 기울기 센서 24 : GPS 모듈
30 : 마이크로 컨트롤러 40 : 디스플레이부
50 : 메모리수단 60 : 인터페이스
70 : 외부 기기
일반적으로 천체의 관측에 있어서는 천구상에서 관측 대상인 별 또는 별자리의 위치를 파악하고 측정 대상을 인식하는 것이 필요하다. 그런데 천구상에서 별자리 또는 별을 식별하고 정확한 위치를 파악하기 위해서는 천문 지식에 대한 장기간의 훈련과 많은 경험이 요구되는 어려움이 있다. 특히 천구상에서는 관측 대상의 위치가 시간, 계절, 또는 관측자의 위치에 따라 변화하게 되는바, 천구상에서의 천체의 운행에 대한 천문 지식이 없는 일반인에게는 천체 관측은 더욱 어려움이 많은 실정이다.
다만, 천체의 위치를 정확하게 지향할 수 있는 자동화된 천체 망원경이 개발되었으나 이러한 천체 망원경은 설치 과정에 있어서 정밀한 극축의 조정과 같은 숙련된 작업이 요구되며, 그 부피가 크고 무거워 휴대가 불가능하고 가격도 고가이므로 일반인의 접근이 어려운 문제가 있었고, 그 기능에 있어서도 관측 대상을 확대하여 선명한 관측이 가능하게 할 뿐 해당 천체 및 주변의 별자리 등에 대한 정보를 제공하지는 못하는 한계가 있다. 그 결과 대부분의 천체 관측은 레이저 포인터 등을 사용하여 관측 대상의 대략적인 위치를 지시하면서 별자리가 배치되어 있는 성도(星圖)와 대비하여 관련된 천문 지식을 습득하는 과정으로 이루어지고 있다. 별자리의 위치를 확인하는 다른 방법으로 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하는 방법도 있으나 시뮬레이션을 위하여 위도, 경도, 및 시간 등의 많은 조건을 입력해야 하는 번거로움이 있고, 특히 실제 관측과 연동이 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 지자기 센서와 기울기 센서로 구성되는 방향 센서 및 GPS를 이용하여 사용자가 지향하는 천체에 대한 적경과 적위를 얻고, 상기 적경과 적위를 키로 사용하여 메모리수단에 저장된 천문정보를 제공함으로써 천문 지식이 부족한 일반인도 단순히 천체를 지향함으로써 해당 천체에 대한 정보를 획득할 수 있도록 하는 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방향 센서와 GPS를 이용한 천문정보 획득 시스템은 천체에 대한 천문정보가 적경 및 적위에 대응하여 저장된 메모리수단, 지자기의 방향을 검출하고 지향방향의 방위각을 측정하는 지자기 센서와 중력의 방향을 검출하고 지향방향의 고도각을 측정하는 기울기 센서를 포함하는 방향 센서 모듈, GPS위성으로부터 신호를 수신하여 상기 방향센서 모듈의 위치 및 현재 시간을 추출하는 GPS 모듈, 및 상기 지자기 센서 및 상기 기울기 센서로부터 방위각 및 고도각에 대한 정보를 수신하고 상기 GPS 모듈로부터 위치 및 시간에 대한 정보를 수신하여 상기 방향 센서 모듈이 지향하는 천구상 지점의 적경 및 적위를 연산하고 상기 연산된 적경 및 적위을 키로 사용하여 상기 메모리수단에서 천문정보를 검색하여 디스플레이하는 마이크로 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 방향 센서 모듈은 회동 가능한 연결 수단에 의하여 설치되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 천문정보 획득 시스템은 외부 기기와 통신이 가능한 인터 페이스부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 메모리수단은 천체에 대한 간략정보만을 저장하는 내부메모리와 천체에 대한 상세정보를 저장하는 외부 기기의 외부메모리로 구성되는 것을 특징으로 하며, 상기 마이크로 컨트롤러는 상기 방향 센서 모듈이 지향하는 천체에 대한 간략정보를 상기 내부메모리에서 검색하여 디스플레이하고 상기 간략정보가 선택되면 선택된 간략정보에 대응하는 상세정보를 상기 외부 기기의 외부메모리에서 검색하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 마이크로 컨트롤러는 상기 연산된 적경 및 적위를 기준적경 및 기준적위로 사용하여 상기 사용자가 미리 지정한 오차각의 범위 내에 위치하는 천체에 관한 천문정보를 상기 메모리수단에서 검색하고 디스플레이하여 선택 가능하게 하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 천문정보 획득 시스템은 상기 방향 센서 모듈이 지향하는 방향과 동일한 방향을 지향하도록 설치되어 상기 사용자가 상기 방향 센서 모듈이 지향하는 방향을 육안으로 관측할 수 있도록 하는 랜턴이 더 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 마이크로 컨트롤러는 이후에 설명될 수학식 1 내지 수학식 3을 이용하 여 상기 적경 및 적위를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이하 첨부된 도면에 의해 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 천문정보 획득 시스템의 구성도로서 하우징(10), 센서부(20), 마이크로 컨트롤러(30), 디스플레이부(40), 메모리수단(50) 및 인터페이스부(60)를 포함하고 있다.
하우징(10)은 사용자가 어느 위치에서나 사용할 수 있도록 휴대가 가능하게 형성되어 있으며, 사용자는 천문정보를 획득하고자 하는 천체를 방향 센서 모듈(21)로 지향함으로써 대상 천체를 선택하게 된다. 방향 센서 모듈(21)이 격납된 하우징(10)은 사용자가 손으로 파지하여 천체를 지향할 수 있도록 핸디형의 형태로 제작됨이 바람직하나, 방향 센서 모듈(21)이 하우징(10)으로부터 회동 가능하게 구성할 수도 있다. 회동 가능하게 연결하는 수단은 전방위 회전이 가능한 볼 조인트 또는 유니버설 조인트 등이 사용될 수 있다. 이하에서는 방향 센서 모듈(21)이 하우징(10)에 고정식으로 내장된 경우를 기준으로 설명하나, 방향 센서 모듈(21)이 회동 가능하게 하는 변형은 당업자에게 자명할 것이다.
하우징(10)을 사용한 천체의 지향은 사용자의 육안에 의존하여 개략적으로 이루어지게 되는 것이 일반적인바 하우징(10)과 동일한 방향을 지향할 수 있도록 하우징(10)에 랜턴 등을 설치하여 사용자의 천체 지향이 용이하도록 함이 타당하다. 상기 랜턴은 하우징(10)의 외부에 부착되거나 하우징(10)의 내부에 설치되면서 그 일부가 외부에 노출될 수 있도록 설치될 수 있으며, 랜턴에서 출력되는 빛은 직진성이 강한 것이 천체의 지향에 유리하므로 레이저 포인터 등을 랜턴으로 사용하는 것이 바람직하다.
센서부(20)는 사용자가 하우징(10)으로 천체를 지향하는 경우 방향을 측정하는 방향 센서 모듈(21)과 사용자의 현재 위치 및 현재 시간을 제공하는 GPS 모듈(24)로 구성된다. 방향 센서 모듈(21)은 천체의 방위각과 고도각을 측정하게 되는데, 이를 위하여 지자기 센서(22) 및 기울기 센서(23)를 포함하고 있다.
사용자가 지향하는 천체의 천구상에서의 위치는 방위각과 고도각으로 나타낼 수 있다. 상기 방위각과 고도각은 사용자를 기준으로 하여 천구상에서의 천체의 위치를 나타내기 위한 것으로서, 방위각은 사용자가 서 있는 지평면이 자오선과 만나는 점 가운데서 북쪽에 위치하고 있는 북점을 기준으로 하여 시계방향으로 지평선을 따라서 측정한 각도이며, 고도각은 천체가 지평면과 이루는 각도를 말한다. 이때 지평선은 지평면을 무한히 연장하였을 경우 천구와 만나게 되는 원을 말한다. 따라서 상기 방위각과 고도각은 사용자의 위치 및 시간의 변화에 따라 달라지는 상대적인 값이다. 이러한 방위각과 고도각의 측정은 지자기 센서(22)와 기울기 센서(23)에 의해 측정할 수 있는데, 지자기 센서(22)는 지자기의 방향을 감지하여 방위각을 측정하게 되며 기울기 센서(23)는 중력의 방향을 감지하여 고도각을 측정하게 된다.
상기에서 검토한 바와 같이 방위각과 고도각은 시간과 사용자의 위치에 따라 변화하게 되므로 천구상에서 천체의 위치를 확정을 위해서는 사용자의 위치 및 현 재 시간의 파악이 필요한데, 이는 GPS(Global Positioning System) 모듈(24)을 이용하여 파악할 수 있다. GPS 모듈(24)은 GPS 수신기를 포함하고 있어서 GPS 위성으로부터 신호를 수신하여 현재의 위치 및 시간을 파악할 수 있다. 이때 현재의 시간은 시, 분, 초 뿐만 아니라 년, 월, 일에 대한 정보도 포함하게 되며, 위치는 일반적으로 위도 및 경도로 나타낼 수 있다.
마이크로 컨트롤러(30)는 상기 센서부(20)에서 파악된 방위각, 고도각, 위치, 및 시간에 대한 정보를 이용하여 메모리수단(50)에서 천문정보를 검색하게 된다. 다만 상기에서 검토한 바와 같이 방위각과 고도각은 시간 또는 현재 위치에 따라 변화하는 값이므로 천문정보를 상기 방위각과 고도각에 대응시켜 메모리수단(50)에 저장하는 것은 불가능한바 천체의 위치를 시간과 관측자의 위치와는 무관하게 나타낼 수 있는 좌표가 필요한데, 본 발명에서는 춘분점과 천구의 적도를 기준으로 하여 천체의 위치를 나타내는 값인 적경과 적위를 사용하도록 하였다.
적경과 적위를 결정하기 위한 기준을 살펴보면, 지구의 자전축을 연장하였을 경우 천구와 만나는 두 점인 천구의 북극과 천구의 남극을 통과하는 시간권이 있으며, 상기 시간권에 수직인 천구의 적도가 있다. 태양은 천구상에서 황도를 따라 이동을 하면서 천구의 적도와 만나게 되는데 이 경우 태양이 천구의 남반구에서 북반구로 지나면서 천구의 적도와 만나는 점이 춘분점에 해당된다. 이때, 적경은 춘분점을 지나는 시간권과 천체를 지나는 시간권이 이루는 각을 반시계 방향으로 측정한 것이며, 적위는 천구의 적도로부터 시간권을 따라 천체까지 잰 각을 말한다. 따라서 천체의 위치를 적경 및 적위를 사용하여 표시하게 되면 사용자의 위치 및 시 간의 변화에 영향을 받지 않게 된다. 다만 현재 본 발명의 센서부(20)에서 측정되는 값은 천체의 방위각 및 고도각과 관측자의 위치 및 시간이므로 이러한 측정값을 이용하여 천체의 적경과 적위를 구하는 과정이 필요한데, 이러한 과정은 적경과 적위의 계산과정을 나타낸 도 2를 참조하여 이하에서 설명한다.
마이크로 컨트롤러(30)는 일반적으로 마이컴을 이용하여 구현되는데, 지자기 센서(22)와 기울기 센서(23)로부터 수신한 방위각과 고도각 및 GPS 모듈(24)로부터 수신한 위치와 시간의 정보를 이용하여 하우징(10)이 지향하는 천체의 적경 및 적위를 연산하게 되는데, 구체적으로는 다음의 수학식 1 내지 수학식 3을 이용하여 연산할 수 있다.
Figure 112006091656377-pat00001
Figure 112006091656377-pat00002
Figure 112006091656377-pat00003
이때, Az는 방위각, Alt는 고도각, Lat는 위도, H는 시간각, LST는 지방 항성시, Dec는 적위, RA는 적경을 각각 의미한다. 지방 항성시 LST는 도 2에 나타난 바와 같이 GPS 모듈(24)로부터 수신한 시간에 대한 정보(년,월,일,관측시간)을 이용하여 계산하게 된다. 마이크로 컨트롤러(30)는 시간에 대한 정보(년,월,일,관측시간)를 이용하여 율리안 일자(JD:Julian Day) 및 세계시(UT:Universal Time)를 계산하고, 이를 이용하여 그리니치 항성시(GST:Greenwich Sidereal Time)을 계산하여 지방 항성시(LST:Local Sidereal Time)를 계산하게 된다.
마이크로 컨트롤러(30)는 상기의 방법으로 연산된 적경 및 적위를 키로 사용하여 메모리수단(50)에 저장된 천문정보를 검색, 획득하여 출력하게 된다. 이때 마이크로 컨트롤러(30)는 상기 연산된 적경 및 적위를 기준적경 및 기준적위로 하고 기준적경 및 기준적위와 일정한 오차각을 갖는 지점에 위치한 천체에 대한 천문정보를 함께 검색하여 디스플레이함으로써 사용자가 그 중에서 괸심있는 천체를 선택하게 할 수 있을 것이다. 따라서 마이크로 컨트롤러(30)를 구성하는 마이컴에는 사용자가 사전에 입력하게 되는 오차각을 저장하는 수단이 포함될 수 있다. 마이크로 컨트롤러(30)에서 출력된 정보들은 디스플레이부(40)로 전달되어 사용자에게 디스플레이되거나 인터페이스부(60)를 통하여 외부 기기에 전달된다.
디스플레이부(40)는 센서부(20)에서 측정된 정보, 마이크로 컨트롤러(30)에서 연산된 적경 및 적위, 및 메모리수단(50)에서 검색된 천문정보 등을 사용자에게 디스플레이 하는 것으로서, LCD 표시장치 등으로 구현될 수 있다. 사용자는 방향 센서 모듈(21)로 천체를 지향하면서 디스플레이부(40)로부터 천문 정보를 획득하게 되는데, 방향 센서 모듈(21)이 하우징(10)으로부터 회동 가능하게 구성된 경우에는 더욱 안정적으로 천체를 지향하면서 천문정보를 획득할 수 있게 된다. 다만 디스플 레이부(40)는 필요에 따라 데이터 통신이 가능한 외부의 대형 디스플레이 기기로 구성될 수 있다.
메모리수단(50)은 천문정보를 적경 및 적위에 대응시켜 구축한 데이터를 저장하는 것으로서, 별자리의 이름 및 모양, 별자리에 관련된 전설, 천체의 다양한 물리적 특성 등을 포함하는 천문정보가 적경 및 적위에 대응되어 저장되는데, 사용자의 간편한 휴대를 위해 하우징(10) 내부에 설치됨이 바람직하나 데이터 통신이 가능한 별도의 외부장치로 구현될 수 있다. 특히 메모리수단(50)에 저장되는 방대한 데이터를 분리하여 저장함으로써 사용자의 휴대를 용이하게 하면서 다양한 데이터를 사용자에게 제공할 수도 있다. 즉, 적경 및 적위에 대응되는 별자리 이름을 포함하는 간략정보만을 하우징(10) 내에 설치되는 내부메모리에 저장하고 기타 상세 정보를 별도의 외부 기기의 외부메모리에 저장함으로써 사용자의 휴대를 용이하게 함과 동시에 대용량의 저장수단을 확보할 수 있게 된다. 이 경우 마이크로 컨트롤러(30)는 사용자가 지향하는 천체에 대한 간략정보를 우선 내부메모리에서 검색하여 디스플레이하고, 사용자가 디스플레이된 간략정보에서 특정 별자리를 선택하게 되면 상세정보를 외부 기기의 외부메모리에서 획득하는 방식을 사용하게 된다.
인터페이스부(60)는 PC 등의 외부 기기와 통신하기 위한 것으로서, 무선 인터넷 모듈, RS232 인터페이스, USB 인터페이스, 적외선 통신 포트 또는 블루투스 방식의 통신 모듈 등으로 구현될 수 있으며, 본원발명을 기존의 상용화 되어 있는 별자리 관련 프로그램과 연동할 수 있게 한다. 인터페이스부(60)를 통하여 외부로 출력된 적경 및 적위 등의 천구상의 좌표는 다른 천문장비의 자세결정에도 이용될 수 있을 것이다. 특히 메모리수단(50)을 상기 검토한 바와 같이 내부메모리와 외부메모리로 구성할 경우 인터페이스부(60)를 통하여 내부메모리와 외부메모리가 통신을 하게 되는데, 무선 인터넷 모듈을 채용함으로써 사용자의 편의를 더욱 증가시킬 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 방향 센서와 GPS를 이용한 천문정보 획득 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방향 센서와 GPS를 이용하여 사용자가 단순히 천체를 지향함으로써 해당 천체에 대한 천문정보를 획득할 수 있도록 함으로써 천문지식이 부족한 일반인도 용이하게 천체의 관측이 가능하도록 하며, 다양한 외부 기기와 연동을 통하여 천문 교육용 컨텐츠를 제공할 수 있도록 하는 것이다. 특히 천문정보를 저장하는 메모리수단을 소형의 내부메모리와 대용량의 외부메모리로 구성함으로써 휴대의 편의성을 증가시킴과 동시에 다량의 천문정보를 저장할 수 있는 수단을 확보할 수 있고, 천체를 지향하는 방향 센서 모듈을 하우징으로부터 회동 가능하도록 하는 구성을 채택한다면 사용자가 천체를 지향하는 자세를 더욱 안정적으로 유지할 수 있게 된다.

Claims (7)

  1. 천체에 대한 천문정보가 적경 및 적위에 대응하여 저장된 메모리수단;
    지자기의 방향을 검출하고 지향방향의 방위각을 측정하는 지자기 센서와 중력의 방향을 검출하고 지향방향의 고도각을 측정하는 기울기 센서를 포함하는 방향 센서 모듈;
    GPS위성으로부터 신호를 수신하여 상기 방향센서 모듈의 위치 및 현재 시간을 추출하는 GPS 모듈; 및
    상기 지자기 센서 및 상기 기울기 센서로부터 방위각 및 고도각에 대한 정보를 수신하고, 상기 GPS 모듈로부터 위치 및 시간에 대한 정보를 수신하여 상기 방향 센서 모듈이 지향하는 천구상 지점의 적경 및 적위를 연산하고, 상기 연산된 적경 및 적위을 키로 사용하여 상기 메모리수단에서 천문정보를 검색하여 디스플레이하는 마이크로 컨트롤러;를 포함하되,
    상기 방향 센서 모듈은 회동 가능한 연결 수단에 의하여 설치되는 것을 특징으로 하는 천문정보 획득 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 메모리수단은 천체에 대한 간략정보만을 저장하는 내부메모리와 천체에 대한 상세정보를 저장하는 외부 기기의 외부메모리로 구성되는 것을 특징으로 하며, 상기 마이크로 컨트롤러는 상기 방향 센서 모듈이 지향하는 천체에 대한 간략정보를 상기 내부메모리에서 검색하여 디스플레이하고 상기 간략정보가 선택되면 선택된 간략정보에 대응하는 상세정보를 상기 외부 기기의 외부메모리에서 검색하는 것을 특징으로 하는 천문정보 획득 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러는 상기 연산된 적경 및 적위를 기준적경 및 기준적위로 사용하여 지정된 오차각의 범위 내에 위치하는 천체에 관한 천문정보를 상기 메모리수단에서 검색하고 디스플레이하여 선택 가능하게 하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천문정보 획득 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 방향 센서 모듈이 지향하는 방향과 동일한 방향을 지향하도록 설치되어 상기 방향 센서 모듈이 지향하는 방향을 육안으로 관측할 수 있도록 하는 랜턴이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 천문정보 획득 시스템.
  6. 제 1항, 제3항, 제4항, 또는 제 5항에 있어서,
    외부 기기와 통신이 가능한 인터페이스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천문정보 획득 시스템.
  7. 제 1항, 제3항, 제4항, 또는 제 5항에 있어서,
    상기 마이크로 컨트롤러는 다음의 수학식을 이용하여 상기 적경 및 적위를 연산하는 것을 특징으로 하는 천문정보 획득 시스템.
    Figure 112008055907929-pat00004
    Figure 112008055907929-pat00005
    Figure 112008055907929-pat00006
    이때, Az는 방위각, Alt는 고도각, Lat는 위도, H는 시간각, LST는 지방 항성시, Dec는 적위, RA는 적경을 의미한다.
KR1020060125781A 2006-12-11 2006-12-11 방향 센서와 ｇｐｓ를 이용한 천문정보 획득 시스템 KR100944417B1 (ko)

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