KR100966289B1 - 선박 레이더 추적 시스템의 추적 표적 판정 방법 및 이를이용한 기록매체, 아파보드 및 레이더 - Google Patents

선박 레이더 추적 시스템의 추적 표적 판정 방법 및 이를이용한 기록매체, 아파보드 및 레이더 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이더 시스템에 의해 발생하는 표적의 위치 정보의 오차를 고려하여 표적의 동일성 여부를 판단할 수 있도록 하여 기존의 방법에 비해 추적 중이던 표적인지 여부를 확인하는 과정에서 다른 표적을 선정할 가능성을 줄이기 위한 방법, 컴퓨터 판독가능 기록매체, 아파보드 및 레이더를 제공한다.
본 발명에 따른 선박 레이더를 이용한 추적 표적 판정 방법은, 레이더의 방위각 신호와 수신 신호를 통해 표적의 위치를 실시간으로 측정하고 레이더 안테나로 부터 표적까지의 거리와 방위를 검출하는 제 1 단계; 표적 위치 정보를 활용하여 표적의 움직임을 추적하여 표적의 속도와 코스를 예측하는 제 2 단계; 예측된 다음 검출 시점에서 표적이 있을 것으로 예상되는 위치 지점에 게이트를 설치하는 제 3 단계; 레이더 안테나로부터 게이트 중심을 연결하는 직선인 거리 축에 수직인 직선을 구하는 제 4 단계; 다음 탐지(scan) 시간에 게이트 내에 들어온 표적들에 대하여 거리축에 수직인 직선과 게이트에서 새로 탐지 된 표적들 사이의 거리들을 계산하는 단계 및 계산된 거리들 중 최소 거리를 갖는 표적을 선정하는 제 5 단계; 선정된 최소거리를 갖는 표적의 좌표가 제 2 단계의 표적 위치 정보로 다시 전달되는 제 6 단계를 포함하며 제 2 단계에서 제 6 단계까지의 과정이 반복하는 과정을 포함한다.
선박, 레이더, 추적, 표적, 선정, 비대칭, 확률분포, 오차, 개선

Description

선박 레이더 추적 시스템의 추적 표적 판정 방법 및 이를 이용한 기록매체, 아파보드 및 레이더{TARGET DETECTION METHOD APPLIED IN MARINE RADAR SYSTEM, AND RECORD CARRIER, ARPA BOARD AND RADAR USING THE SAME}
본 발명은 선박 레이더 추적 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 표적에 대한 추적을 진행할 때 처리시간 감소와 프로세싱 영역 축소를 위하여 게이트를 설정하는 방법 중 하나로, 표적이 존재할 확률 분포를 활용하여 추적 중에 게이트 내에 다수의 표적이 존재할 때 추적 중이던 표적인지 여부를 확인하는 과정에서 다른 표적을 선정할 가능성을 낮추는 방법 및 이를 이용한 기록매체, 아파보드 및 레이더에 관한 것이다.
일반적으로 선박에서 사용되는 레이더 시스템에 있어서 표적을 추적하는 경우, 레이더에 의해 수신되는 신호를 검출하여 표적들을 선정하고 표적들의 위치 정보를 얻는다. 하나의 표적에 대한 위치 정보는 안테나가 360도 회전할 때마다 획득되며, 획득된 정보를 바탕으로 표적의 추적이 진행된다.
종래 기술에 따른 표적 추적 진행 과정은 도 1과 같다.
도 1을 참조하면, 일반적인 레이더를 이용한 표적 추적 과정은, 표적에 대한 위치 정보 (거리, 방위각 또는 X, Y거리)를 얻는 표적 탐지 단계(S101), 설정된 게이트 내에 표적이 위치하는지에 대한 판단이 이루어지는 게이트 비교 단계(S103), 게이트 내에 존재하는 표적들 중 추적되고 있던 표적과의 동일성 여부를 판단하는 추적표적 선정 단계(S105)를 거친다. 추적표적 선정 단계에서 표적의 동일성 여부를 판단하는 종래의 방법은 표적이 존재할 확률 분포를 통해 추적 중인 표적과 탐지된 표적 사이의 상관 관계를 계산하여 적용하는 것이다. 이 때, 실제에서는 표적이 존재할 확률 분포를 정확히 알 수 없는 경우가 많아 게이트의 중심위치와 표적까지의 거리 계산을 통해 가장 가까운 거리의 표적을 선택하는 방법이 적용되고 있다
추적표적 선정 단계를 거친 후, 동일 표적으로 선정된 표적의 위치 정보를 이용하여 표적 추적을 진행하고 표적의 속도와 코스 정보 즉, 추적 정보를 얻는 표적 추적 단계(S107)를 진행한다. 이 때, 추적된 결과는 화면에 표시되며(S111), 다음에 표적이 있을 것으로 예측되는 위치에 게이트가 설치되는 게이트 설치 단계(S109)가 진행되어 다시 게이트 비교 단계(S103)로 들어간다.
도 2는 종래의 거리 계산을 통해 표적을 선정하는 방식을 나타낸 도이다.
도 2를 참조하면, 게이트 내에 새로운 표적이 4개가 나타나고, 이 중에서 게이트 중심에서 가장 가까운 거리에 있는 표적을 이전 표적이 이동한 것으로 선정하여 추적하게 된다.
그러나, 도 2 에서 나타난 것과 같이 거리 계산을 통해 표적을 선정하는 방식은 기본적으로 측정된 표적의 위치를 중심으로 실제 표적이 존재할 확률분포를 표현하는 확률 밀도 함수의 분산이 X축과 Y축 방향에 대해 동일하다는 가정이 전제되어 있다고 할 수 있다. 즉, X축과 Y축 방향으로의 확률 밀도 함수의 분산이 다른 경우, 추적을 진행하는 표적이 아닌 다른 표적이 선정될 가능성이 높아지게 되며 이러한 현상을 표적교환(target swap)이라고 하며, 이는 레이더 추적 성능을 저하시키는 하나의 요인이 된다.
도 3은 x, y축 각각의 방향에서 표적이 존재할 확률 분포가 정규분포를 따름을 나타내는 표적 존재 확률 존재 분포도이다.
관측 결과에 의해 목표 관측 데이터의 내용이 중심 극한 정리에 따르고 있고, x축과 y축이 서로 독립적이라면, 목표의 x축과 y축 방향의 존재 확률 밀도 함수는 정규 분포로 가정하고 다음 수학식 1, 2 로 표현할 수 있다.
Figure 112008013623311-pat00001
Figure 112008013623311-pat00002
x축, y축 각각을 확률변수로 볼 때, p는 확률변수 값이 각각 x, y 일 때의 확률을 의미하고 m은 확률변수의 평균, σ는 표준편차 ( 분산의 제곱근(square root)) 를 의미한다.
추적 중인 표적의 예측된 위치에서의 확률 밀도함수(p(x), p(y))와 현재 탐지된 표적의 위치에서의 확률 밀도함수(q(x), q(y))가 각각 수학식 3과 수학식 4 와 같다면, 상관 계수에 관한 수학식 5 를 이용하여 동일 표적의 판정을 위한 상관 계수를 구할 수 있다.
Figure 112008013623311-pat00003
Figure 112008013623311-pat00004
Figure 112008013623311-pat00005
Corr은 추적 중인 표적의 확률분포와 현재 탐지된 표적의 확률분포간의 상관관계를 나타낸 것이다.
수학식 3, 4, 5 를 이용하여 수학식 5는 다음과 같은 수학식 6으로 변경된다.
Figure 112008013623311-pat00006
수학식 6 에서 추적 중인 표적의 예측 위치에서의 중심 좌표(mpx, mpy)와 현재 탐지된 표적의 중심 좌표(mqx, mqy)가 곧 확률 밀도 함수의 평균이 된다. 그러나, 수학식 6 중에서 표적들의 분산(표준 편차의 제곱)은 정확히 알기가 어려워 실제 적용이 어렵다. 따라서, 다음의 가정을 통해 실제에 적용 가능하다. 즉, X축과 Y축 방향 확률 밀도의 분산이 동일하다고 가정하면, 두 표적 사이의 상관 계수는 아래 수학식 7 이 최소가 될 때 가장 커지게 된다.
Figure 112008013623311-pat00007
이는 곧 추적 중인 표적과 현재 탐지된 표적들의 중심 좌표 사이의 거리가 최소가 될 때를 의미한다.
만일, X축과 Y축 방향 확률 밀도 분산이 위의 가정과 달리 서로 다른 경우에는, 위의 방법을 적용하면 정확한 동일 표적 선정에 있어서 성능 저하가 발생할 수 밖에 없어 표적 교환 (Target swap) 가능성이 높아지게 된다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이더 시스템에 의해 측정되는 표적의 위치 정보의 오차를 고려하여 표적의 동일성 여부를 판단할 수 있도록 하여 기존의 방법에 비해 추적 중이던 표적인지 여부를 확인하는 과정에서 다른 표적을 선정할 가능성을 개선하고자 한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 특징에 의하면, 선박 레이더를 이용하여 추적 표적 판정 방법은, 상기 레이더의 방위각 신호와 수신 신호를 통해 표적의 위치를 실시간으로 측정하고 레이더 안테나로부터의 표적까지의 거리와 방위를 검출하는 제 1 단계; 상기 표적 위치 정보를 활용하여 표적의 움직임을 추적하여 표적의 속도와 코스를 예측하는 제 2 단계; 상기 예측된 다음 검출 시점에서 표적이 있을 것으로 예상되는 위치 지점에 게이트를 설치하는 제 3 단계; 상기 레이더 안테나로부터 상기 게이트 중심을 연결하는 직선인 거리 축에 수직인 직선을 구하는 제 4 단계; 다음 탐지 시간에 게이트 내에 들어온 표적들에 대하여 상기 거리축에 수직인 직선과 상기 게이트에서 새로 탐지된 표적들 사이의 거리들을 계산하는 단계 및 상기 계산된 거리들 중 최소 거리를 갖는 표적을 선정하는 제 5 단계; 상기 선정된 최소거리를 갖는 표적의 좌표가 상기 제 2 단계의 표적 위치 정보로 다시 전달되는 제 6 단계를 포함하며 상기 제 2 단계에서 제 6 단 계까지의 과정이 반복된다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 컴퓨터 판독 가능 기록매체는, 상기 레이더의 방위각 신호와 수신 신호를 통해 표적의 위치를 실시간으로 측정하고 레이더 안테나로부터 표적까지의 거리와 방위를 검출하는 제 1 단계(S201); 상기 표적과 방위를 포함하는 표적 위치 정보를 활용하여 표적의 움직임을 추적하여 표적의 속도와 코스를 예측하는 제 2 단계(S203); 상기 예측된 다음 검출 시점에서 표적이 있을 것으로 예상되는 위치 지점에 게이트를 설치하는 제 3 단계(S205); 상기 설치된 게이트의 중심을 지나고 상기 레이더로부터 상기 게이트 중심을 연결하는 직선인 거리 축에 수직인 직선을 구하는 제 4 단계(S207); 다음 탐지 시간에 게이트 내에 들어온 표적들에 대하여 상기 거리축에 수직인 직선과 상기 게이트에서 새로 탐지 된 표적들 사이의 거리들을 계산하는 단계 및 상기 계산된 거리들 중 최소 거리를 갖는 표적을 선정하는 제 5 단계(S209); 및 상기 선정된 최소거리를 갖는 표적의 좌표가 상기 제 2 단계의 표적 위치 정보로 다시 전달되는 제 6 단계(S211)를 포함하며 상기 제 2 단계에서 제 6 단계까지의 과정이 반복되는 선박 레이더를 이용한 추적 시스템의 추적 표적 판정 알고리즘이 기록된다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 자동 레이더 위치표시 (ARPA) 보드는 위의 컴퓨터 판독가능 기록 매체에 의해 운영된다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 레이더는, 고주파를 공중으로 방사하고, 표적으로부터 반사된 반사파를 수신하는 안테나; 상기 고주파를 발생시키기 위한 송수신기; 상기 안테나로부터 들어온 반사파를 처리하기 위한 프로세싱부; 상기 레 이더의 방위각 신호와 수신 신호를 통해 표적의 위치를 실시간으로 측정하고 레이더 안테나로부터 표적까지의 거리와 방위를 검출하는 제 1 단계; 상기 표적과 방위를 포함하는 표적 위치 정보를 활용하여 표적의 움직임을 추적하여 표적의 속도와 코스를 예측하는 제 2 단계; 상기 예측된 다음 검출 시점에서 표적이 있을 것으로 예상되는 위치 지점에 게이트를 설치하는 제 3 단계; 상기 설치된 게이트의 중심을 지나고 상기 레이더로부터 상기 게이트 중심을 연결하는 직선인 거리 축에 수직인 직선을 구하는 제 4 단계; 다음 탐지 시간에 게이트 내에 들어온 표적들에 대하여 상기 거리축에 수직인 직선과 상기 게이트에서 새로 탐지 된 표적들 사이의 거리들을 계산하는 단계 및 상기 계산된 거리들 중 최소 거리를 갖는 표적을 선정하는 제 5 단계; 및 상기 선정된 최소거리를 갖는 표적의 좌표가 상기 제 2 단계의 표적 위치 정보로 다시 전달되는 제 6 단계를 포함하며, 상기 제 2 단계에서 제 6 단계까지의 과정이 반복되는 추적 표적 판정 알고리즘을 탑재하여, 표적을 추적하는 기능을 수행하는 제어부; 선박의 방위 및 속도 정보, 전자해도 및 선박의 항해기록 정보를 수신받고 상기 프로세싱부와 상기 제어부 사이의 신호를 전달하기 위한 인터페이스 보드; 상기 제어부의 정보를 디스플레이하기 위한 모니터; 및 상기 제어부로 명령 및 데이터를 입력하기 위한 입력장치를 포함한다.
본 발명에 제시된 방법, 컴퓨터 판독 가능 기록 매체, 아파보드 및 레이더에 의하면, 기존의 방법에 비해 추적 중이던 표적인지 여부를 확인하는 과정에서 각축 방향으로의 측정 오차가 달라 각 축 방향에서 비대칭인 표적 존재 확률 분포를 가 지고 있을 때, 즉 정규 분포 특징을 갖는 각 축 방향의 확률 밀도 함수에서 한쪽 방향의 분산이 다른 방향의 분산에 비해 상대적으로 커지는 경우에 표적 선정 과정에서 추적 표적이 아닌 다른 표적을 선정할 가능성을 현저히 낮출 수 있는 장점이 있다.
본 발명과 본 발명의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 주요 핵심은, 일반적으로 방위 축방향의 측정 오차가 거리 축방향의 오차에 비해 크다는 특징을 이용하여 동일 표적을 선정하는 방식을 제공하는데 있다.
또한, 아래에서 다시 설명되겠지만, 본 발명에서는 추적 중인 표적의 예측된 위치에서의 확률밀도함수에서의 분산과 현재 탐지된 표적의 확률밀도함수에서의 분산은 서로 같다고 가정되며, 방위 축방향으로 표적이 존재할 확률분포의 분산이 거리 축방향으로의 확률분포의 분산에 비해 상당히 크다고 가정한다.
도 4는 본 발명에 따른 레이더에서 표적의 좌표와 그 거리축, 방위축을 나타내는 도이다
본 발명에 따른 표적의 좌표는 도 2에 도시된 종래의 x 축과 y 축으로 표시되는 좌표 방식이 아닌, 레이더에서 표적까지의 거리 축과 이 거리축에 수직인 방위 축으로 표시된다.
선박에서 적용되는 레이더 시스템은 스캐너(Scanner)라고 하는 안테나가 360도 회전을 하면서 전파를 발사하여 표적의 거리와 방위를 측정하게 된다. 따라서, 측정 오차는 거리 방향과 방위 방향으로 나타나며 서로가 독립적이다.
도 5는 도 4의 거리축, 방위축에 따른 표적이 존재하는 확률 분포를 나타내는 표적 존재 확률 존재 분포도를 나타낸다.
중심좌표가 (r, θ)인 표적의 존재 확률 분포는 수학식 1, 수학식 2와 유사한 방식을 적용하면 다음과 같이 얻을 수 있다. 이때, 방위 축 방향 좌표 θ의 단위는 라디안 (radian)이며, 거리 축 방향 좌표 r의 단위는 해리 (nautical mile)이다.
Figure 112008013623311-pat00008
Figure 112008013623311-pat00009
중심에서의 거리, 방위각 각각을 확률변수로 볼 때, p는 확률변수 값이 각각 r, θ 일 때의 확률을 의미하고 m은 확률변수의 평균, σ는 표준편차 ( 분산의 제곱근(square root)) 를 의미한다.
두 축 방향으로의 상관 관계를 통해 표적을 선정하기 위해서는 단위를 일치 시켜줄 필요가 있다. θ만큼의 오차가 발생했을 때, 방위 축 방향으로의 거리오차 (rθ)는 다음의 관계식을 가진다.
Figure 112008013623311-pat00010
수학식 9 와 10 을 이용하여 방위 축 방향으로의 거리오차 확률 p(rθ)를 구해보면 수학식 11 과 같다.
Figure 112008013623311-pat00011
도 6은 추적을 진행 중인 표적의 예측 위치 좌표와 현재 탐지된 표적의 좌표, 그 각각의 거리축, 방위축 방향에서의 표적 존재 확률 분포를 나타낸 도이다.
도 6에서와 같이 중심좌표 (mpr, mp θ)인 추적 표적의 예측위치와 중심좌표가 (mqr, mq θ)인 현재 탐지된 표적의 존재확률분포가 각각 수학식 12 와 수학식 13 으로 표현된다고 가정하면, 수학식 5 의 정의를 이용하여 거리 축과 방위 축에 대한 상관관계인 수학식 14 및 15를 구할 수 있다.
Figure 112008013623311-pat00012
Figure 112008013623311-pat00013
Figure 112008013623311-pat00014
Figure 112008013623311-pat00015
거리 축과 방위 축은 서로 직교 (orthogonal)하며 독립(independent)이므로 두 표적 사이의 상관 관계는 수학식 14 과 15 의 합으로 표현된다.
Figure 112008013623311-pat00016
수학식 16 을 이용하여 상관관계를 얻기 위해서는 각 축방향의 확률밀도함수 를 이루는 분산과 평균을 알아야만 한다. 각 축으로의 평균은 레이더에 의해 측정된 표적들의 중심 위치가 되어 쉽게 구할 수 있으나, 분산은 일반적으로 알기가 어렵다. 따라서, 동일 표적의 확인을 위해서는 분산에 대한 다음의 가정이 필요하다.
가정 1. 추적 중인 표적의 예측위치에서의 확률밀도함수에서 분산과 현재 탐지된 표적의 확률밀도함수에서 분산은 수학식 17과 같이 서로 같다.
Figure 112008013623311-pat00017
표적을 추적하는 과정에 있어서 추적 중인 표적의 예측된 위치와 현재 탐지된 표적의 위치가 들어오는 시간은 레이더 스캐너가 1회전하는 시간 (약 3초 미만)이므로 표적의 특성이 크게 변화하지 않을 것이므로 의미 있는 가정이라 할 수 있다. 가정 1을 기반으로 하여 수학식 16 을 다시 정리해보면 다음과 같다.
Figure 112008013623311-pat00018
선박에 적용되는 레이더는 방위각 오차 요인으로 안테나의 기어에 의한 백래쉬(Backlash), 선박의 롤링이나 피칭에 의한 레이더 경사, 방위각 측정 센서인 자이로(gyro)의 출력오차 및 랜덤 오차와 샘플링 오차가 존재하며, 거리 오차요인으로는 롤링에 의한 레이더 경사와 샘플링 오차가 존재한다. 따라서, 일반적으로 방위각에 의한 오차요인이 큰 것으로 보고 되고 있다. 이를 통해 다음의 가정이 성립 한다.
가정 2. 수학식 19와 같이 레이더에서 표적 방향과 직각 방향인 방위 축 방향 확률분포의 분산이 레이더에서 표적 방향인 거리 축방향 확률분포의 분산에 비해 상당히 크다.
Figure 112008013623311-pat00019
가정 2를 이용하면 수학식 18 의 상관계수 관계식에서 우변의 첫 번째 항이 상관계수에 가장 큰 영향을 미치고 있다는 사실을 알 수 있다.
즉, 두 표적 사이의 상관계수는 거리 방향으로의 거리가 가까워야 커지게 된다는 사실을 의미한다.
본 특허에서는 이러한 사실을 활용하기 위하여 다음의 방식을 통해 추적 중인 표적의 동일 여부를 판단하게 된다.
이하, 도 7 을 참고하여 표적 선정의 기초가 되는 거리를 구하는 방법을 설명하기로 한다.
도 7은 게이트의 중심을 지나고 거리 축에 수직인 직선과 표적 사이의 거리를 계산하여 최소 거리를 갖는 표적을 선정하는 과정을 나타낸 도이다.
추적을 진행하는 과정에서 추적되는 표적의 예측위치 즉, 게이트의 중심이 (r, θ)위치에 설치되었다면 게이트의 중심을 지나며 거리 축에 수직인 직선(ax+by+c = 0)은 다음 식과 같이 구할 수 있다.
Figure 112008013623311-pat00020
게이트 내의 임의의 표적의 중심좌표 (xi, yi)에서 게이트의 중심을 지나며 거리 축에 직각인 직선과의 거리(di)는 다음 식으로 표현된다.
Figure 112008013623311-pat00021
수학식 21 에 의해 게이트 내에의 모든 표적들에 대하여 di를 구하고 di의 값이 가장 작은 표적이 선정되도록 한다. 상기 선정된 표적의 좌표가 표적의 움직임을 추적하는 단계로 다시 전달되며 상기 과정을 반복한다. 본 방식을 적용하면 레이더 자체의 센서 특성을 고려하여 표적을 선정하게 되므로 추적 과정에서 표적교환이 일어날 가능성을 줄일 수 있어 더욱 좋은 추적 성능을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 선박 레이더를 이용한 표적 추적 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명에 따른 선박 레이더를 이용한 표적 추적 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명에 따른 선박 레이더를 이용한 표적 추적 방법은, 우선, 선박 레이더의 방위각 신호와 수신 신호를 통해 표적의 위치를 실시간으로 측정하고 레이더 안 테나로부터 표적까지의 거리와 방위를 검출한다(S201). 레이더 안테나로부터 표적까지의 거리와 방위를 검출하는 방법은 종래의 공지 기술을 사용하므로 그 구체적인 방법은 생략한다.
그런 다음, 표적 위치 정보를 활용하여 표적의 움직임을 추적하여 표적의 속도와 코스를 예측한다(S203). 표적의 움직임을 추적한다는 것은 상기 단계에서 실시간으로 기록된 레이더 안테나로부터 표적까지의 거리와 방위의 측정값을 이용하여 표적이 어떻게 움직이고 있는지 식별하는 것을 말한다. 즉 현재 표적의 좌표 또는 레이더 안테나로부터 현재 표적 좌표까지의 거리와 방위의 측정값과 실시간으로 측정된 과거의 좌표 또는 거리와 방위의 측정값과의 차이를 계산하여 ( 현재 측정값 - 과거 측정값 으로 변위를 구해낼 수 있다 ) 표적이 진행하는 방향과 속력에 대한 데이터를 얻음으로써 표적의 움직임을 식별하고 표적을 추적할 수 있다. 그리하여 바로 직후의 표적의 속도와 코스를 예측할 수 있다.
그리고 나서, 추적된 결과를 통해 다음 검출 시점에서 표적이 있을 것으로 예상되는 위치 지점에 게이트를 설치한다(S205). 게이트를 설치하는 방법은 상기에서 추적되어 예측된 표적의 좌표를 게이트의 중심 좌표로 하여 새롭게 게이트를 설치하는 것이며 그 게이트 내에서 표적들을 다시 탐지할 수 있다.
그런 다음, 상기 설치된 게이트의 중심을 지나면서 거리축에 수직인 직선을 구한다(S207). 도 7 에서 나타나 있는 것과 같이 표적의 거리축은 레이더 안테나와 게이트의 중심 즉 표적의 예측 좌표를 지나는 직선을 말하며, 그와 수직이면서 게이트의 중심을 지나는 가상의 직선은 단일하게 결정된다. 이는 도 4 내지 7에 방위 축으로 표시된다.
그리고 나서, 다음 탐지 시간에 게이트 내에 들어온 표적들에 대하여 상기 직선과 표적 사이의 거리를 계산하고, 그 중 최소 거리를 갖는 표적을 선정한다(S209). 보다 구체적으로, 도 7에서 보는 바와 같이 상기 단계에서 게이트의 중심을 지나고 거리축에 수직인 직선을 기준으로 각 표적들의 좌표와 거리축에 수직인 상기 방위 축 방향의 직선까지의 거리를 구한다. 표적의 좌표와 표적을 지나는 방위축 방향의 직선까지의 거리는 수학식 21 을 이용하여 구할 수 있다.
그런 다음 구해진 거리 중 가장 가까운 거리를 가지는 표적을 기존의 표적이 이동한 것으로 보고 동일한 표적으로 선정한다(S211). 이 단계에서 표적이 잘못 인식되는 확률을 줄일 수 있는 효과를 발휘한다.
상기 선정된 표적의 좌표가 표적의 움직임을 추적하는 단계로 다시 전달되며 상기 과정이 반복된다. 즉 상기 동일 표적으로 선정된 표적의 좌표를 측정된 표적의 좌표로 보고, 거리와 방위의 측정, 새로운 게이트 설치, 가상의 직선 구하기, 그 직선으로부터 새롭게 탐지된 표적들과의 거리를 구하여 동일 표적을 선정하는 과정을 계속 반복하여 계속적으로 표적을 식별해 나간다.
위와 같은 표적 추적 방법은, 추적 진행과정에서 축 방향의 오차 요인 차이에 의해 비대칭인 표적 존재 확률 분포를 가지는 경우에 사용 가능하며, 해안 레이더나 선박 레이더 등과 같이 표적의 위치를 방위각과 거리로 측정하는 시스템에서, 수학식 10과 같은 관계를 갖는 오차 요인이 존재할 때, 수학식 10과 같은 관계에 의해 거리(r)가 커질수록 방위축 방향의 오차거리(rθ)는 커지게 되어 방위축 방향의 분산이 거리축 방향에 비해 커져 확률 분포의 분산이 비대칭적으로 나타날 때, 표적의 위치를 측정하고 추적을 진행하고자 하는 경우에 본 발명에 따른 표적 추적 방법이 적용될 수 있다.
이와 같은 표적 추적 방법의 알고리즘은, 컴퓨터 프로그램으로 제작되어 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체에 저장되어 사용될 수 있다. 그리고, 이러한 본 발명에 따른 표적 추적 알고리즘은 컴퓨터 프로그램으로 제작되어 레이더를 제어하거나 레이더의 표적을 추적하는 컴퓨터나 서버에서 로딩되어 사용될 수 있다. 또한 본 발명의 표적 추적 알고리즘을 탑재한 별도의 레이더 이용 표적 추적 장치로 제작될 수도 있다.
도 9는 본 발명에 따른 표적 추적 알고리즘을 탑재한 레이더의 구성도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 레이더는 안테나(901), 송수신기(902), 프로세싱부(903), 인터페이스 보드(904), PC(905), 모니터(906), 키보드(907), 센서(908), ECDIS(909), VDR(910) 를 포함한다.
안테나(901)는 송수신기(902)에서 발생된 고주파를 공중으로 방사하며, 프로세싱부(903)는 안테나로부터 들어온 반사파 즉 표적으로부터 반사된 반사파를 처리한다. 인터페이스보드(904)는 프로세싱부(903)와 PC(905) 간의 신호를 전달하고, 센서(908), ECDIS(909), VDR(910)으로부터 정보를 입력받는다. 센서(908)는 선박 등의 방위 및 속도 정보를 감지하며, ECDIS(Electronic Chart Display and Information System; 909)는 전자해도 및 정보 표시장치이고, VDR(Voyage Data Recorder; 910)은 항공기의 블랙박스와 유사한 장비로 선박운항에 관한 주요 항해 데이터, 즉 선박의 위치/ 속도/ 날짜와 시간 뿐만 아니라 레이더영상/ 조타실에서의 각종 대화와 교신내용 등을 기록, 저장하는 항해기록장치이다.
PC(905; 또는 제어부)는 원격 서비스 콘솔 보드(RSC 보드; 911), 자동 레이더 위치표시(ARPA; Automatic Radar Plotting Aids) 보드(912) 및 그래픽 보드(193) 등을 포함하며, 자동 레이더 위치표시(ARPA) 보드(912)는 본 발명에 따른 선박 레이더의 표적 추적 판정 알고리즘을 탑재하여 표적을 추적하는 기능을 수행한다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 표적 추적 진행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 종래의 거리 계산을 통해 표적을 선정하는 방식을 나타낸 도이다.
도 3은 x, y축 각각에서 표적이 존재하는 확률 분포가 정규분포를 따름을 나타내는 표적 존재 확률 존재 분포도이다.
도 4는 본 발명에 따른 레이더에서 표적의 좌표와 그 거리축, 방위축을 나타내는 도이다.
도 5는 도 4의 거리축, 방위축에 따른 표적이 존재하는 확률 분포를 나타내는 표적 존재 확률 존재 분포도이다.
도 6은 추적 중인 표적의 예측 위치의 좌표와 현재 탐지된 표적의 좌표, 그 각각의 거리축, 방위축 에서의 표적 존재 확률 분포를 나타낸 도이다.
도 7은 게이트의 중심을 지나고 거리 축에 수직인 직선과 표적 사이의 거리를 계산하여 최소 거리를 갖는 표적을 선정하는 과정을 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명에 따른 선박 레이더를 이용한 표적 추적 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9는 본 발명에 따른 표적 추적 알고리즘을 탑재한 레이더의 구성도이다.

Claims (14)

  1. 선박 레이더를 이용한 추적 표적 판정 방법에 있어서,
    상기 레이더의 방위각 신호와 수신 신호를 통해 표적의 위치를 실시간으로 측정하고 레이더 안테나로부터 표적까지의 거리와 방위를 검출하는 제 1 단계(S201);
    상기 표적과 방위를 포함하는 표적 위치 정보를 활용하여 표적의 움직임을 추적하여 표적의 속도와 코스를 예측하는 제 2 단계(S203);
    상기 예측된 다음 검출 시점에서 표적이 있을 것으로 예상되는 위치 지점에 게이트를 설치하는 제 3 단계(S205);
    상기 설치된 게이트의 중심을 지나고 상기 레이더로부터 상기 게이트 중심을 연결하는 직선인 거리 축에 수직인 직선을 구하는 제 4 단계(S207);
    다음 탐지 시간에 게이트 내에 들어온 표적들에 대하여 상기 거리축에 수직인 직선과 상기 게이트에서 새로 탐지 된 표적들 사이의 거리들을 계산하는 단계 및 상기 계산된 거리들 중 최소 거리를 갖는 표적을 선정하는 제 5 단계(S209); 및
    상기 선정된 최소거리를 갖는 표적의 좌표가 상기 제 2 단계의 표적 위치 정보로 다시 전달되는 제 6 단계(S211)를 포함하며 상기 제 2 단계에서 제 6 단계까지의 과정이 반복되는 선박 레이더 추적 시스템의 추적 표적 판정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 레이더 안테나로부터 현재 표적 좌표까지의 거리와 방위의 측정값에 대한 현재 표적의 좌표와 기 측정된 과거의 거리와 방위의 측정값에 대한 과거 표적 좌표와의 차이를 계산하는 단계;
    상기 표적이 진행하는 방향과 속력에 대한 데이터를 산출하는 단계; 및
    상기 표적의 움직임을 식별하여 이후의 표적의 속도와 코스를 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 레이더 추적 시스템의 추적 표적 판정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제4 단계는, 다음의 수학식
    Figure 112008013623311-pat00022
    여기서 상기 게이트의 중심 좌표는 (r, θ),
    을 통해 상기 거리 축에 수직인 직선을 구하며, 상기 수직인 직선은 ax+by+c =0 로 표현되는 것을 특징으로 하는 선박 레이더 추적 시스템의 추적 표적 판정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제5 단계는, 다음의 수학식
    Figure 112008013623311-pat00023
    여기서, 좌표 (xi, yi) 는 상기 게이트 내의 임의의 표적의 중심 좌표,
    를 통해 거리(di)를 산출하며, 산출된 거리들 중 가장 작은 거리를 갖는 표적을 선정하는 것을 특징으로 하는 선박 레이더 추적 시스템의 추적 표적 판정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 추적 표적 판정 방법은, 추적 중인 표적의 예측 위치에서의 확률밀도함수에서의 분산과 현재 탐지된 표적의 확률밀도함수에서의 분산은 서로 같다고 가정되는 것을 특징으로 하는 선박 레이더 추적 시스템의 추적 표적 판정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 추적 표적 판정 방법은, 정규 분포 특징을 갖는 각 축 방향의 확률 밀도들이 어느 한 쪽 방향의 분산이 다른 한 쪽 방향의 분산에 비해 상대적으로 크다고 가정되는 것을 특징으로 하는 선박 레이더 추적 시스템의 추적 표적 판정 방법.
  7. 선박 레이더를 이용한 추적 시스템의 추적 표적 판정 알고리즘이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 있어서,
    상기 레이더의 방위각 신호와 수신 신호를 통해 표적의 위치를 실시간으로 측정하고 레이더 안테나로부터 표적까지의 거리와 방위를 검출하는 제 1 단계(S201);
    상기 표적과 방위를 포함하는 표적 위치 정보를 활용하여 표적의 움직임을 추적하여 표적의 속도와 코스를 예측하는 제 2 단계(S203);
    상기 예측된 다음 검출 시점에서 표적이 있을 것으로 예상되는 위치 지점에 게이트를 설치하는 제 3 단계(S205);
    상기 설치된 게이트의 중심을 지나고 상기 레이더로부터 상기 게이트 중심을 연결하는 직선인 거리 축에 수직인 직선을 구하는 제 4 단계(S207);
    다음 탐지 시간에 게이트 내에 들어온 표적들에 대하여 상기 거리축에 수직인 직선과 상기 게이트에서 새로 탐지 된 표적들 사이의 거리들을 계산하는 단계 및 상기 계산된 거리들 중 최소 거리를 갖는 표적을 선정하는 제 5 단계(S209); 및
    상기 선정된 최소거리를 갖는 표적의 좌표가 상기 제 2 단계의 표적 위치 정보로 다시 전달되는 제 6 단계(S211)를 포함하며 상기 제 2 단계에서 제 6 단계까지의 과정이 반복되는
    선박 레이더를 이용한 추적 시스템의 추적 표적 판정 알고리즘이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    상기 레이더 안테나로부터 현재 표적 좌표까지의 거리와 방위의 측정값에 대한 현재 표적의 좌표와 기 측정된 과거의 거리와 방위의 측정값에 대한 과거 표적 좌표와의 차이를 계산하는 단계;
    상기 표적이 진행하는 방향과 속력에 대한 데이터를 산출하는 단계; 및
    상기 표적의 움직임을 식별하여 이후의 표적의 속도와 코스를 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 레이더를 이용한 추적 시스템의 추적 표적 판정 알고리즘이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제4 단계는, 다음의 수학식
    Figure 112008013623311-pat00024
    여기서 상기 게이트의 중심 좌표는 (r, θ),
    을 통해 상기 거리 축에 수직인 직선을 구하며, 상기 수직인 직선은 ax+by+c =0 로 표현되는 것을 특징으로 하는 선박 레이더를 이용한 추적 시스템의 추적 표적 판정 알고리즘이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제5 단계는, 다음의 수학식
    Figure 112008013623311-pat00025
    여기서, 좌표 (xi, yi) 는 상기 게이트 내의 임의의 표적의 중심 좌표,
    를 통해 거리(di)를 산출하며, 산출된 거리들 중 가장 작은 거리를 갖는 표적을 선정하는 것을 특징으로 하는 선박 레이더를 이용한 추적 시스템의 추적 표적 판정 알고리즘이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 추적 표적 판정 알고리즘은, 추적 중인 표적의 예측 위치에서의 확률밀도함수에서의 분산과 현재 탐지된 표적의 확률밀도함수에서의 분산은 서로 같다고 가정되는 것을 특징으로 하는 선박 레이더를 이용한 추적 시스템의 추적 표적 판정 알고리즘이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 추적 표적 판정 알고리즘은, 정기 분포 특징을 갖는 각 축 방향의 확률 밀도들이 어느 한 쪽 방향의 분산이 다른 한 쪽 방향의 분산에 비해 상대적으로 크다고 가정되는 것을 특징으로 하는 선박 레이더를 이용한 추적 시스템의 추적 표적 판정 알고리즘이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록매체.
  13. 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 컴퓨터 판독 가능 기록매체에 의해 운영되는 제어부를 포함하는 자동 레이더 위치표시(ARPA) 보드.
  14. 선박 레이더를 이용한 추적 시스템의 레이더에 있어서,
    고주파를 공중으로 방사하고, 표적으로부터 반사된 반사파를 수신하는 안테나;
    상기 고주파를 발생시키기 위한 송수신기;
    상기 안테나로부터 들어온 반사파를 처리하기 위한 프로세싱부;
    상기 레이더의 방위각 신호와 수신 신호를 통해 표적의 위치를 실시간으로 측정하고 레이더 안테나로부터 표적까지의 거리와 방위를 검출하는 제 1 단계; 상기 표적과 방위를 포함하는 표적 위치 정보를 활용하여 표적의 움직임을 추적하여 표적의 속도와 코스를 예측하는 제 2 단계; 상기 예측된 다음 검출 시점에서 표적이 있을 것으로 예상되는 위치 지점에 게이트를 설치하는 제 3 단계; 상기 설치된 게이트의 중심을 지나고 상기 레이더로부터 상기 게이트 중심을 연결하는 직선인 거리 축에 수직인 직선을 구하는 제 4 단계; 다음 탐지 시간에 게이트 내에 들어온 표적들에 대하여 상기 거리축에 수직인 직선과 상기 게이트에서 새로 탐지 된 표적들 사이의 거리들을 계산하는 단계 및 상기 계산된 거리들 중 최소 거리를 갖는 표적을 선정하는 제 5 단계; 및 상기 선정된 최소거리를 갖는 표적의 좌표가 상기 제 2 단계의 표적 위치 정보로 다시 전달되는 제 6 단계를 포함하며, 상기 제 2 단계에서 제 6 단계까지의 과정이 반복되는 추적 표적 판정 알고리즘을 탑재하여, 표적을 추적하는 기능을 수행하는 제어부;
    선박의 방위 및 속도 정보, 전자해도 및 선박의 항해기록 정보를 수신받고 상기 프로세싱부와 상기 제어부 사이의 신호를 전달하기 위한 인터페이스 보드;
    상기 제어부의 정보를 디스플레이하기 위한 모니터; 및
    상기 제어부로 명령 및 데이터를 입력하기 위한 입력장치를 포함하는 레이더.
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