KR101059905B1 - 테스트 방법 및 표적 파라미터를 수동적으로 획득하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파동 에너지, 특히 음향을 방사하는 이동 표적에 대한 표적 데이타를 수동적으로 획득하는 방법에 대한 테스트 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 따르면, 실제 표적 데이타로서 방위각(bearing angle)은 운송 수단 특히 수상 운송 수단의 연속적인 경로 위치에서 내장형 방위 시스템에 의해 표적의 방위를 획득함으로써 측정되며, 상기 운송 수단은 복합 내비게이션 시스템의 도움을 받아 표적으로부터의 경로 위치를 결정하며, 이 경로 위치로부터 표적의 속도, 경로, 및/또는 위치가 추가적인 실제 표적 데이타로서 결정된다. 해상 수용성 테스트(SAT)에서 온라인으로 TMA 방법의 편의성을 신속하게 증명할 수 있도록 하기 위하여, 표적 및 운송 수단의 위치는 GPS를 사용하여, 표적의 방위각이 획득된 시점에서 결정된다. 표적의 방위각 및 거리는 운송 수단과 표적의 개별적인 관련된 위치로부터 계산되고, 복합 내비게이션을 사용하여 측정된 경로 위치에 할당된다. 기준 표적 경로는 뿐만 아니라 추정 필터에 의해 표적에 대한 거리와 방위각의 값의 쌍으로부터 추정되고, 기준 표적 데이타는 실제 표적 데이타와 직접적으로 비교되도록 이들로부터 유도된다.
표적, 음향, 칼만 필터

Description

테스트 방법 및 표적 파라미터를 수동적으로 획득하는 방법{TESTING METHOD, AND METHOD FOR PASSIVELY OBTAINING TARGET PARAMETERS}
본 발명은 파동 에너지를 방사하는 이동 표적에 대한 표적 데이타를 수동적으로 획득하는 방법에 대한 테스트 방법에 관한 것으로서, 운송 수단, 특히 수상 운송 수단의 연속 궤도 위치에서 실제 표적 데이타로서 방위각을 측정하고, 내장형 자동 내비게이션 시스템을 사용하여 운송 수단의 궤도 위치를 결정하며, 내장형 방향 추적 시스템에 의해 표적의 방향을 추적함으로써, 표적 범위, 표적 속도, 표적 경로 및 표적 위치 중 하나 이상이 추가의 실제 표적 데이타로서 상기 표적의 방향으로부터 결정된다.
예컨대 선박, 잠수함(submarine) 또는 어뢰(torpedo) 등의 표적의 위치, 속도 및 경로를, 운송 수단을 드러내지 않으면서 예컨대 잠수함 또는 선박(surface vessel) 등의 운송 수단으로부터 소위 표적 데이타로서 결정하기 위하여 수동 표적 데이타 결정을 위해 TMA(target motion analysis) 방법으로 공지된 방법(독일출원번호 제101 29 726 A1호)을 사용하는 경우에는, 표적으로부터 방사된 음향이 소나 방향-추적 시스템에 의해 수신되어, 표적에 대한 방위각이 측정된다. 초기 위치로부터 시작해서, 표적의 위치는 운송 수단의 궤도 위치 또는 운송 수단 자체의 위치와 함께 상기 방위각으로부터 추정되고, 관련된 추정 방위각을 계산하며, 이러한 표적의 위치는 추정된 표적 속도로 이동하는 표적의 소정 시간 간격 후의 예상 위치이다. 측정 방위각과 추정 방위각 사이의 차이는, 에러 한계가 언더슈트(undershoot)될 때까지 즉, 추정 방위각이 에러 허용치를 제외하고 측정 방위각에 대응할 때까지 반복적으로 감소된다. 기본 추정 위치는 표적 위치로서 간주된다. 표적, 표적 속도 및 표적 경로에 대한 추정 범위는 방위각 및 표적 위치로부터 계산된다. 운송 수단의 자체 위치 및 궤도 위치는, 내장형 자동 내비게이션 시스템, 일반적으로는 통합 내비게이션 시스템에 의해 운송 수단의 속도를 측정함으로써 그 이동 방향 및 이동된 거리가 결정되는 공지된 방법으로 결정된다. 속도는 도플러 로그(Doppler log)에 의해 결정되며, 이때 파동 에너지는 방위적으로 송신되고 그라운드 또는 송신 매체의 층상에서 반향된 후, 도플러 편이되어(shift) 수신된다. 도플러 편이는 속도의 척도이다. 수상 운송 수단 상의 도플러 로그는 "하부 궤도(bottom track)"의 경우에는 해저로부터, "수상 궤도(water track)"의 경우에는 수층(water layer)으로부터 반향된 음파를 송신한다. "수상 궤도"의 경우에서, 통합 내비게이션은 측정 영역에서의 유동을 사용하여, 유동이 가해지고 유동 아틀라스(atlas)로부터의 유동 데이타에 의해 보정된 종속 궤도 위치(dependent track position)를 생성하며, 이는 측정된 궤도 위치로부터 운송 수단 자체의 실제 위치를 결정하기 위한 것이다.
소위 SAT(sea acceptance test)는 이와 같은 TMA 방법의 타당성을 증명하기 위하여 수행되고, 운송 수단에 대한 하나 이상의 표적의 방향은 소나 방향 추적 시스템의 하나 이상의 센서를 사용하여 추적된다. TMA 방법을 사용할 때, 표적 데이타로서 표적 범위 및 표적 속도, 표적 경로 및 표적 위치가 추적된 방향으로부터 획득된 북향 기준 방위각으로부터 추정되고, 이러한 표적 데이타는 특정 동작 시간 후에 타당성에 대한 특정 에러 허용치(specific error tolerances)에 도달하여야만 한다.
본 발명의 목적은 SAT와 함께 사용될 수 있고, 수동적으로 표적 데이타를 측정하는 방법에 대한 수용성(Acceptability)을 신속하게, 바람직하게 온라인으로 결정하는 테스트 방법을 이용하는 것이다.
본 발명에 따른 목적은 청구범위 제1항의 특징에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 방법은, 테스트될 방법의 타당성을 해상에서의 테스트 동작 동안에도 평가할 수 있고, 그 결과가 불충분한 경우에는 1회 이상의 재 테스트를 즉시 수행할 수 있어서, SAT가 시간적으로 제한되는 장점을 갖는다. 그 결과, 상당한 비용이 절감되는데, 매일 해상에서, 방향-추적 시스템이 부착된 운송 수단으로서 SAT용 개인 선박과 하나 이상의 표적 선박을 요구하는 것은 고비용이 소요되기 때문이다. 기준 표적으로서 사용되는 표적선과 외관상 개인 선박 상의 육상 기반 또는 위성 기반 위치-추적 측정 시스템은, 지구 기준(earth-related) 위치값을 고정밀도로 산출하고, 이로부터 방위각 및 표적 범위에 대한 매우 정확한 절대값을 계산할 수 있다.
TMA 방법을 사용하는 방향-추적 시스템에 의해 추적된 방향과 동시에 결정되는, 방위각과 표적 범위에 대한 이들 절대값은, TMA 방법을 사용하여 추적된 방향과 시간에 내장형 자동 내비게이션 시스템을 사용하여 운송 수단이 결정한 궤도 위치와 관련된다. 궤도 위치와 이들 절대값과 관련된 값의 쌍들은 표적 위치를 계산하는 데 사용되고, 평탄화된 기준 표적 궤도는 예시적으로 칼만 필터(Kalman filter)에 의해 추정된다. 기준 방위각, 기준 표적 위치, 기준 표적 범위, 기준 표적 속도 및/또는 기준 표적 경로는 기준 표적 궤도로부터 유도되며, TMA 방법을 사용하여 획득된 대응하는 실제 표적 데이타와 비교된다. 기준 값과 실제값 사이의 불일치가 미리 설정된 에러로 수렴하면, 테스트 결과는 포지티브이다. 이러한 절차는 기준 표적 데이타와의 직접 비교에 의해 TMA 방법을 사용하여 측정된 소위 실제 표적 데이타를 평가하는 것을 가능케 한다. TMA 방법을 사용하고 있는 개인 운송 수단의 동일한 궤도가 기준 표적 궤도를 계산하기 위해 사용되기 때문에, 환경 영향을 참착할 필요가 없다. 예컨대, 운송 수단 상에서의 커런트 유동(current flow)의 영향을 제거하기 위하여, 예컨대 방향 계산을 수행할 필요가 없으며, 커런트 유동은, 공지된 테스트 방법의 경우에서와 같이, 내장형 자동 내비게이션 시스템에 의해 측정된 궤도 위치에 영향을 미친다.
더 나아가, 표적의 위치 값에 대한 세부 내용이 교란, 예컨대, 표적과 운송 수단 사이의 무선 링크의 교란에 영향을 받는 경우, 모든 측정 방위각과 이들로부터 유도된 실제 표적 데이타를 저장하고, 그리고 추가의 테스트 동작을 수행할 수 있다. 저장된 표적 데이타는 언제라도 다시 판독될 수 있으므로, 중단된 수락 동작(acceptance run)을 완료한다.
본 발명에 따른 테스트 방법은 또한 미리 설정된 에러 허용치를 가진 TMA 방법을 사용하여 추정된 표적 데이타의 수렴(convergence)을 온라인으로 평가할 수 있다는 장점을 제공한다.
본 발명의 유익한 발전 및 개선뿐만 아니라, 본 발명에 따른 방법 중 적정한 실시형태가 청구범위에서 기술된다.
도 1은 본 발명의 방법을 나타내는 도면이다.
이하에서는, 도면에 도시된 예시적인 일 실시예를 참고로 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이러한 경우, 도면은 이동 운송 수단(F) 및 이동 표적(Z)을 가진 해상 영역에서의 SAT 시나리오를 보여준다.
운송 수단(F)은 표적(Z)으로부터 방사된 음향을 수신하는 소나 수신 시스템을 갖는다. 지리학상 북향을 기준으로, 표적에 대한 방위각으로서 음향의 입사 방향을 측정하도록, 지향성 신호 프로세싱이 사용된다. 방위각은 연속적인 측정 시간 ti(i= ０，１，２, …, ５)마다 측정되고, 이때 운송 수단(F)은 예컨대 자체 이동 속도와 자체 경로를 근거로 자체 궤도(곡선 a)상의 궤도 위치 0, a1~a5로 가정하며, 방향 측정용 자이로스코프, 속도 측정용 도플러 로그, 가능한 경우 가속도 및 경사 측정 장치용 도플러 로그를 사용하는 통합 네비게이션에 의해 운송 수단에 의해 방위각이 계산된다. 이러한 방법의 테스트는 시간 t０에서 표적(Z)에 대해 제1 방위각의 측정치를 가지고 시작한다. 운송 수단(F)은 측정 시간 t０에서 위치 ０로 가정한다. 운송 수단(F)은 측정 시간 t１과 t２에서 이동(maneuver)을 수행한다.
측정 시간 t０에서, 표적(Z)은 위치 0에 위치하고, 표적의 방향은 운송 수단(F)에 의해 추적되며, 표적은 북향으로 방위각 ０°가 되도록 그 초기 위치 0에 위치된다. 표적(Z)은 표적 궤도(d) 상에서 표적의 초기 위치(O)로부터 시작하여, 일정한 표적 속도로 일정한 표적 궤도상에서 이동하고, 예컨대, 측정 시간 ti(여기서는 i= １，２, 3, 4, …)에서, 표적 위치를 각각 d1, d2, d3, d4, … 이라고 가정하고, 이 위치에서 표적의 방향이 운송 수단(F)에 의해 추적된다.
표적(Z)의 표적 데이타, 구체적으로 실제 표적 데이타인 표적 방향, 표적 범위, 표적 위치, 표적 경로 및 표적 속도를 수동적으로 결정하는 방법은 하기의 설명에서 TMA(target motion analysis) 방법으로 언급되며, 이러한 방법은 각 궤도 위치에서 측정된 방위각으로부터 운송 수단(F)의 각각의 궤도 위치 a1~a5에 대하여 표적(Z)의 위치를 표적(Z)의 추정 속도를 부가하여 추정하고, 표적(Z)에 대하여, 표적(Z)의 추정 위치와 관련된 추정 방위각을 계산한다. 따라서, 에러 한계가 언더슈트할 때까지, 측정 방위각과 추정 방위각 사이의 차이는 반복적으로 감소된다. 에러 한계의 언더슈팅의 기초가 되는 추정 위치는 실제 표적 위치로서 방사되며, 이와 관련된 추정 속도도 실제 표적 속도 및 실제 표적 궤도로서 방사된다. 이는 표적에 대한 방위각이 측정되는 운송 수단(F)의 모든 궤도 위치 a1~a5에 대하여 반복된다. TMA 방법에 의해 획득된 표적 궤도는 곡선(b)에서 표적 위치 b1~b4로 나타난다. TMA 방법의 포괄적인 설명은 예를 들어 독일출원번호 제101 29 726 A1호에서 확인될 수 있다.
TMA 방법의 타당성을 체크하기 위하여, TMA 방법용 방향 추적 시스템이 장착된 운송 수단(F), 예를 들어 SAT를 위해 반잠수 상태로 이동하는 잠수함과, 표적으로서 사용되는 표면 운송 수단(surface vehicle), 예컨대 선박(surface vessel)에는 각각 GPS 수신기 또는 위성 기반 네비게이션 시스템용의 좀 더 정확한 DGPS 수신기가 장착된다. 운송 수단(F)과 표적(Z)은 무선으로 서로 링크된다. 테스트 방법의 시작 시점에서, 운송 수단(F)과 표적(Z)의 각 위치는 GPS 수신기에 의해 높은 정밀도로 측정되고, 내장형 소나 수신 시스템을 사용하는 운송 수단(F)으로부터 표적 방향이 측정되며 북향 기준으로 방위각이 측정되어 매 시간 ti마다 항상 정확해진다. GPS 수신기를 사용하여 측정된 운송 수단의 위치 O, c1~c5는, 지구 좌표(earth coordinate)를 기준으로 곡선 C로 나타내어지는 것과 같이 운송 수단(F) 자체의 실제 궤도로 나타나며, 표적(Z)의 GPS 수신기를 사용하여 측정된 표적 위치 O, d1~d5는 지구 좌표를 기준으로 곡선 d로 나타내어지는 것과 같이 실제 표적 궤도로 나타난다. 표적(Z) 상의 GPS 수신기에 의해 측정된 표적 위치 O, d1~d5는 운송 수단(F)에 무선으로 송신된다. 북향을 기준으로 한 절대 방위각과, 운송 수단(F) 및 표적(Z) 사이의 절대 범위는 각 운송 수단의 위치 O, c1~c5(곡선 c)에 대하여 그리고 표적 위치 O, d1~d5(곡선 d)에 대하여 계산된다. 예로서, 도면은 시간 t4에 대한 계산된 방위각 β 및 계산된 표적 범위 Ε를 나타내며, 이때 운송 수단(F)은 위치 c4(곡선 c)에 있고, 표적(Z)은 위치(d4)(곡선 d)에 있다.
계산된 절대 방위각 및 절대 표적 범위는, 통합 네비게이션에 의해 운송 수단(F)에 의해 측정된 궤도 위치 0, a1~a5(곡선 a)에 링크되는데, 즉 각각의 경우에, 방위각 및 표적 범위를 구비하는, 시간 ti(i=0...5)에서 계산된 값의 쌍은, 운송 수단(F)이 통합 네비게이션의 결과를 기반으로 시간 t0~t5에서 가정한 운송 수단(F)의 궤도 위치 0, a1~a5와 관련되어 있다. 도면에서는 t4에서, a4에서의 값의 쌍 β와 Ε를 도시함으로써, 운송 수단(F)의 궤도 위치 a4(곡선 a)가 통합 네비게이션에 의해 지시되는 것을 나타낸다. 평탄화된 기준 표적 궤도는 예들 들어 칼만 필터를 사용하여 추정되며, 이들 값 모두의 쌍을 사용하고, 운송 수단(F)의 궤도 위치를 사용하여, 자체의 통합 네비게이션에 의해 결정되고, 정확한 시간에서의 이들 값의 쌍과 관련된다. 방향에 대한 기준 값(기준 방향), 표적 위치(기준 표적 위치), 표적 범위(기준 표적 범위), 표적 속도(기준 표적 속도) 및/또는 표적 경로(기준 표적 경로)가 기준 표적 궤도로부터 유도된다. 도면에서 간략한 형태로 도시된 것과 같이, 기준 표적 궤도(b)상에서 입력된 바와 같이 기준 표적 위치 0, b1~b4가 표시되고, 간략화된 표현의 결과에 따라, TMA 방법을 사용하여 결정된 실제 표적 위치 0, b1~b4(곡선 b)와 기준 표적 위치를 매칭시킨다. 통상적으로 존재하는 불일치는 도면에서 무시된다.
TMA 방법을 사용하여 추정된 실제 표적 데이타가 정확도에 대한 요구를 만족시키는지를 체크하기 위하여, 즉 미리 설정된 동작 시간 후에 특정 에러 허용치가 획득되는지를 체크하도록, TMA 방법을 사용하여 측정된 실제 표적 데이타를 대응하는 기준 표적 데이타와 비교하고, 각 경우마다 불일치의 정도를 평가한다. 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 예로서, 한편으로 실제 방위각과 기준 방위각 사이의 차이와, 다른 한편으로 실제 표적 범위와 기준 표적 범위 사이의 차이가 발생하고, 이러한 차이의 시간 수렴을 평가한다. 미리 설정된 시간 후에 차이가 거의 0으로 되거나, 미리 설정된 에러 허용치에 도달하면, 테스트 된 방법에 대한 타당성이 입증된다. 도면에서 도시된 것과 같이, 표적 데이타는, 커런트 유동에도 불구하고, GPS 수신기에 의해 측정된 육상에서의 운송 수단(F) 자체의 실제 궤도(곡선 c)에 대하여 해상에서의 운송 수단에 의해 측정된 운송 수단(F) 그 자체의 궤도(곡선 a) 상에 정확하게 기록되는데, 이는 표적이 동일한 방법으로 커런트 유동을 받기 때문이다. 따라서, TMA 방법의 정확한 테스트를 위하여, 본 예에서의 테스트 영역 내의 커런트 유동과 같은 환경 영향을 제거하기 위한 계산 방법을 사용할 필요가 없으므로, 이들을 또한 알 필요도 없다.
SAT 동안 테스트 방법의 과정에서 표적(Z)의 표적 위치를 결정하기 위하여, 운송 수단(F) 상에 설치된 레이더를 사용하는 것도 또한 가능하다. 운송 수단(F)이 곡선(a)상에서 보여지는 것과 같은 궤도 위치 0, a1~a5에 각각 있다고 가정하는 시간 ti에 이동 표적(Z)이 레이더에 의해 측정된다. 레이더는 방위각과 표적 범위를 산출하고, 이들로부터 기준 표적 궤도가 예를 들면, 칼만 필터에 의해 다시 한번 추정된다. 나머지 테스트 절차는 전술한 바와 같다. 원칙적으로, 레이더는 또한 기준 표적 경로 및 기준 표적 속도를 기록하고, 이들을 TMA 방법에 의하여 추정된 대응하는 실제 표적 데이타와 비교하는 것을 가능케 한다. 하지만, 기준 표적 경로 및 기준 표적 속도가 레이더에 의해 비교적 부정확하게 측정되기 때문에, 이러한 기준 표적 데이타는 TMA 방법을 테스트하는 데 사용하지 않는다.
기준 표적 데이타를 획득하기 위한 SAT의 표적 측정에 대한 또 다른 추가 사항은 표적이 소위 소나 피시(sonar fish)를 예인하도록 하는 것이다. 소나 피시는 고정된 송신 클록 레이트(clock rate)로 음향 펄스를 송신하는 펄스화된 음향원을 포함하고, 음향 펄스는 운송 수단(F) 상에 설치된 소나 시스템에 의해 수신된다. 운송 수단으로부터의 방향 측정 시간과, 소나 피시에서 펄스화된 음향원에 대한 송신 시간이 서로 동기화된다. 소나 피시에 대한 방위각은 수신된 음향 펄스의 입사 각도로부터 계산되고, 운송 수단(F) 및 소나 피시 사이의 범위는 음향 펄스의 지연 시간으로부터 계산된다. 소나 피시의 예인 길이(tow length)를 알고 있으면, 관련 표적 방향과 표적 범위를 이 값으로부터 계산할 수 있다. 전술한 바와 동일한 절차를 사용하여, 평탄화된 기준 표적 궤도는 표적 방향 및 표적 범위를 사용하여 추정되며, 이로부터 유도된 상기 기준 표적 데이타는 TMA 방법의 대응하는 실제 표적 데이타와 비교된다.
레이더와 소나 피시에 의한 표적의 측정법은, GPS를 사용한 표적과 운송 수단(F)에 의한 위치 측정이 문제가 될 때, 예컨대 표적과 운송 수단(F) 사이의 무선 링크에 교란이 가해져서, 표적 위치가 운송 수단(F)으로 송신되지 않을 때, 사용된다.

Claims (5)

  1. 파동 에너지를 방사하는 이동 표적에 대한 표적 데이타를 수동적으로 획득하는 방법에 대한 테스트 방법으로서, 운송 수단의 연속 궤도 위치에서 실제 표적 데이타로서 방위각을 측정하고, 내장형 자동 내비게이션 시스템을 사용하여 운송 수단의 궤도 위치를 결정하고, 내장형 방향 추적 시스템에 의해 표적의 방향을 추적함으로써, 이러한 표적 방향으로부터 표적 범위, 표적 속도, 표적 경로 및 표적 위치 중 하나 이상을 추가의 실제 표적 데이타로서 결정하며,
    표적에 대한 방향이 운송 수단으로부터 측정되는 시간에, 표적과 운송 수단의 위치를 육상 기반 또는 위성 기반 위치-추적 측정 시스템을 사용하여 측정하고, 이와 같이 측정된 표적과 운송 수단의 위치로부터 방위각 및 표적 범위를 계산하고, 이들 방위각 및 표적 범위는 각각의 경우에 서로 연관되어 있으며, 상호 관련된, 계산된 방위각 및 표적 범위의 값의 쌍과, 정확한 시간에 이들 값의 쌍과 관련되고 운송 수단의 네비게이션 시스템을 사용하여 측정되는 궤도 위치로부터 기준 표적 궤도를 추정하고, 이러한 기준 표적 궤도로부터 기준 방위각, 기준 표적 위치, 기준 표적 범위, 기준 표적 속도, 및 기준 표적 경로 중 하나 이상을 유도하여, 대응하는 실제 표적 데이터와 비교하고, 불일치의 정도를 평가하는 것을 특징으로 하는 테스트 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불일치의 정도는 발생한 차이에 의해 그리고 상기 차이의 시간 수렴 평가에 의해 평가되는 것을 특징으로 하는 테스트 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표적과 상기 운송 수단의 위치는 상기 표적 상에 설치된 GPS 수신기와, 위성 기반 위치 추적 측정 시스템을 위하여 상기 운송 수단 상에 설치된 GPS 수신기를 사용하여 측정되고, 상기 표적 위치는 상기 운송 수단에 송신되는 것을 특징으로 하는 테스트 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 표적 위치는 상기 운송 수단에 무선으로 송신되는 것을 특징으로 하는 테스트 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내장형 자동 내비게이션 시스템은 통합 내비게이션 시스템인 것을 특징으로 하는 테스트 방법.
KR1020067018771A 2004-05-28 2005-04-27 테스트 방법 및 표적 파라미터를 수동적으로 획득하는 방법 KR101059905B1 (ko)

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