KR101221931B1 - 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법 및 장치 - Google Patents

위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교량 또는 장애물로 인하여 위성신호의 세기가 미약하거나 차단되었을 경우, 연속적인 항법을 수행하도록 관성센서 정보와 IGS(International GNSS Service)의 위성 궤도정보를 이용하여 새로운 위성정보를 생성함으로써 연속적이고 안정적인 측위 결과를 생성하기 위한 것으로, 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법은, 선박의 GPS 수신부를 통해 위성신호를 수신하는 제 1 단계와, 상기 GPS 수신부에서 수신한 상기 위성신호의 신호세기가 미약 또는 차단인지를 판단하는 제 2 단계와, 상기 제 2 단계에서, 위성신호의 세기가 미약 또는 차단으로 판단되는 경우, 관성 센서부에서 IGS(International GNSS Service) 궤도정보 제공부를 통해 위성 궤도정보를 제공받아 현재 GPS 수신부의 위치정보를 계산하는 제 3 단계와, 코드 측정치 생성부에서 상기 GPS 수신부의 위치정보와 상기 위성 궤도정보를 통해 코드 측정치를 생성하는 제 4 단계와, 반송파 측정치 생성부에서 상기 GPS 수신부의 위치정보, 상기 위성 궤도정보 및 미지정수(Integer Ambiguity)를 통해 반송파 측정치를 생성하는 제 5 단계 및 생성된 상기 코드 측정치 및 반송파 측정치로부터 반송파 기반 측위 결과를 생성하는 제 6 단계를 포함한다.

Description

위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CREATING SATELLITE MEASUREMENT OF SHIP USING INERTIAL SENSOR IN WEAK SIGNAL ENVIRONMENT}
본 발명은 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 교량 또는 장애물로 인하여 위성신호의 세기가 미약하거나 차단되었을 경우, 연속적인 항법을 수행하도록 관성센서 정보와 IGS(International GNSS Service)의 위성 궤도정보를 이용하여 새로운 위성정보를 생성함으로써, 연속적이고 안정적인 측위 결과를 생성할 수 있는 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법 및 장치에 관한 것이다.
GPS(Global Positioning System)는 미국 국방부(DOD)가 개발하여 추진한 전 지구적 무선 항행 위성 시스템으로, 안전한 운항을 위해 육상, 해양 및 항공 분야에서 필수적으로 사용된다. 이러한 GPS는 중/고궤도 항행 위성 시스템인 NAVSTAR(Navigation System with Time And Ranging)를 사용하는 시스템이라는 의미에서 NAVSTAR/GPS라고도 한다.
이러한 GPS는 고도 약 2만 km, 주기 약 12시간, 궤도 경사각 55도인 6개의 원궤도에 각각 4개씩 발사된 도합 24개의 항행 위성과 위성을 관리하는 지상 제어국 및 사용자의 이동국으로 구성된다.
GNSS(Global Navigation Satellite System)의 고장으로 인한 서비스 중단은 해양, 공중 및 육상의 교통 서비스가 방해되어 경제적 손실 등의 문제점을 일으킬 수 있다. 특히, 선박이 연안 또는 내륙수로에서 항해할 경우, 연륙교, 연도교 등의 해상교량이나 장애물을 통과할 때 교량이나 장애물에 의한 일시적인 위성신호의 신호세기가 미약해지거나 차단되어 측정잡음이 급격히 증가하게 되고, 이로 인하여 연속적인 항법을 수행할 수 없다는 문제점이 발생하였다.
따라서, 미약신호 환경에서 단독으로 관성센서를 이용한 항법이 가능하다. 예를 들어, 공개특허 제10-2007-0021812호는 관성센서를 이용한 추측항법 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 한 개의 가속도계와 두 개의 자이로스코프를 이용하여 항법정보를 산출하여 궤적에 관계없이 자이로스코프의 바이어스 추정을 가능하게 하고, 초기 방위각 추정 오차가 큰 경우에도 항법정보를 정상적으로 산출할 수 있는 기술이 개시되고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술을 적용하는 경우, 미약신호 환경에서 단독 관성센서기반 항법이 가능하지만, 시간이 지남에 따라 오차가 증가할 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 위성신호가 미약하거나 차단되어 항법이 불가능하거나 측위 정확도가 나빠지는 경우 관성센서를 이용하여 위성 측정치를 생성하고, 연속적인 반송파 기반 측위를 유지함으로써 안정적으로 연속적인 항법을 수행할 수 있도록 한 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법 및 장치의 제공을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법은, 선박의 GPS 수신부를 통해 위성신호를 수신하는 제 1 단계와, 상기 GPS 수신부에서 수신한 상기 위성신호의 신호세기가 미약 또는 차단인지를 판단하는 제 2 단계와, 상기 제 2 단계에서, 위성신호의 세기가 미약 또는 차단으로 판단되는 경우, 관성 센서부에서 IGS(International GNSS Service) 궤도정보 제공부를 통해 위성 궤도정보를 제공받아 현재 GPS 수신부의 위치정보를 계산하는 제 3 단계와, 코드 측정치 생성부에서 상기 GPS 수신부의 위치정보와 상기 위성 궤도정보를 통해 코드 측정치를 생성하는 제 4 단계와, 반송파 측정치 생성부에서 상기 GPS 수신부의 위치정보, 상기 위성 궤도정보 및 미지정수(Integer Ambiguity)를 통해 반송파 측정치를 생성하는 제 5 단계 및 생성된 상기 코드 측정치 및 반송파 측정치로부터 반송파 기반 측위 결과를 생성하는 제 6 단계를 포함하고, 상기 제 2 단계에서, 상기 GPS 수신부는 앙각(elevation angle)이 15°이상인 위성신호의 SNR(Signal to Noise Ratio)값이 20dB 미만인 경우 위성신호의 세기를 미약 또는 차단으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법은, 상기 제 3 단계에서, 다음의 관계식을 통해 현재 GPS 수신부의 위치정보를 계산하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112012084408012-pat00001
여기에서, X는 GPS 수신부의 위치를 나타내고, 아래첨자 GPS 및 INS는 위치를 계산한 센서를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법은, 상기 제 4 단계가, 상기 GPS 수신부의 위치정보와 상기 위성 궤도정보로부터 상기 GPS 수신부와 위성의 거리를 계산하는 공정과, 상기 GPS 수신부의 수신부 시계오차와 상기 위성의 위성 시계오차를 통해 시계오차를 계산하는 공정과, 대류층 지연오차를 추정하는 공정 및 상기 GPS 수신부와 위성의 거리, 시계오차 및 대류층 지연오차를 이용하여 코드 측정치를 생성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법은, 상기 코드 측정치를 생성하는 공정은 다음의 관계식을 통해 코드 측정치를 생성하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112012084408012-pat00002
여기에서, ρ는 위성과 GPS 수신부 사이의 거리, c는 빛의 속도, dt는 수신부 시계오차, dT는 위성 시계오차, T는 대류층 지연오차 및 ω(t)는 측정 잡음을 나타낸다. IF는 Ionosphere Free를 나타내며, 특히 코드 측정치는 이중주파수를 시용함으로써 이온층 지연을 제거한다.
또한, 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법은, 상기 제 5 단계가, 상기 GPS 수신부의 위치정보와 상기 위성 궤도정보로부터 상기 GPS 수신부와 위성의 거리를 계산하는 공정과, 상기 GPS 수신부의 수신부 시계오차와 상기 위성의 위성 시계오차를 통해 시계오차를 계산하는 공정과, 대류층 지연오차를 추정하는 공정과, 미지정수(Integer Ambiguity)를 추정하는 공정 및 상기 GPS 수신부와 위성의 거리, 시계오차, 대류층 지연오차 및 반송파 특성정보를 이용하여 반송파 측정치를 생성하는 공정을 포함하고, 상기 미지정수는 이전 시간의 미지정수로 추정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법은, 상기 반송파 측정치를 생성하는 공정은 다음의 관계식을 통해 반송파 측정치를 생성하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112012084408012-pat00003
여기에서, ρ는 위성과 GPS 수신부 사이의 거리, c는 빛의 속도, dt는 수신부 시계오차, dT는 위성 시계오차, T는 대류층 지연오차, f는 위성 신호의 주파수, λ는 파장, 아래첨자는 L1, L2 신호, N은 미지정수 및 ω(t)는 측정 잡음을 나타낸다. 또한, IF는 Ionosphere Free를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법은, 상기 대류층 지연오차는 Saastamoinen 모델과 Niell 사상함수를 사용하여 추정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법은, 상기 제 6 단계에서 생성된 측위 결과는 상기 관성 센서부에서 추정된 일정 시간 동안의 이동 거리값과 더해져 현재 GPS 수신부의 위치정보를 계산하는데 적용되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성장치는, 위성으로부터 위성신호를 수신하여 위성신호의 신호세기를 판단하는 GPS 수신부와, GPS 수신부에서 수신한 상기 위성신호의 신호세기가 미약 또는 차단으로 판단되는 경우, 상기 위성 궤도정보를 바탕으로 현재 GPS 수신부의 위치정보를 계산하는 관성 센서부와, 상기 관성 센서부에서 계산한 위치정보와 상기 IGS 궤도정보 제공부에서 제공된 위성 궤도정보를 통해 코드 측정치를 생성하는 코드 측정치 생성부와, 상기 관성 센서부에서 계산한 위치정보와 상기 IGS 궤도정보 제공부에서 제공된 위성 궤도정보를 통해 반송파 측정치를 생성하는 반송파 측정치 생성부 및 생성된 상기 코드 측정치 및 반송파 측정치로부터 반송파 기반 측위 결과를 생성하는 측위 결과 생성부를 포함하고, 상기 GPS 수신부는 앙각(elevation angle)이 15° 이상인 위성신호의 SNR(Signal to Noise Ratio)값이 20dB 미만인 경우 위성신호의 세기를 미약 또는 차단으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법 및 장치에 따르면, 교량이나 장애물에 의해 비교적 오랜 시간(약 1분) 위성신호가 미약하거나 차단되어 항법이 불가능하거나 측위 정확도가 나빠지는 경우도, 관성센서를 이용함으로써 위성 측정치로부터 연속적인 반송파 기반 측위를 유지하여 안정적으로 연속적인 항법을 수행할 수 있는 이점이 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성장치를 나타내는 블럭도이다.
도 2는, 본 발명에 따른 GPS 수신부의 위치정보와 위성 궤도정보를 통해 코드 측정치를 생성하는 코드 측정치 생성부의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 GPS 수신부의 위치정보, 위성 궤도정보 및 미지정수를 통해 반송파 측정치를 생성하는 반송파 측정치 생성부의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 4는, 본 발명에 따른 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 GPS 수신부의 위치정보와 위성 궤도정보를 통해 코드 측정치를 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은, 본 발명에 따른 GPS 수신부의 위치정보, 위성 궤도정보 및 미지정수를 통해 반송파 측정치를 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은, 시뮬레이션을 통한 위성 배치도 및 위성의 개수를 나타내는 예시도이다.
도 8은, 관성센서만을 사용하여 항법을 수행한 결과를 나타내는 예시도이다.
도 9는, 본 발명을 통해 수행한 측위 결과의 성능을 나타내는 예시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성장치를 나타내는 블럭도이고, 도 2는 GPS 수신부의 위치정보와 위성 궤도정보를 통해 코드 측정치를 생성하는 코드 측정치 생성부의 구성을 나타내는 구성도이며, 도 3은 GPS 수신부의 위치정보, 위성 궤도정보 및 미지정수를 통해 반송파 측정치를 생성하는 반송파 측정치 생성부의 구성을 나타내는 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성장치(1)는, GPS 수신부(10), 관성 센서부(20), IGS(International GNSS Service) 궤도정보 제공부(30), 코드 측정치 생성부(40), 반송파 측정치 생성부(50) 및 측위 결과 생성부(60)를 포함할 수 있다.
GPS 수신부(10)는, 위성으로부터 위성신호를 수신하여 위성신호의 신호세기를 판단할 수 있다. 이때, GPS 수신부(10)는, 예를 들어, 앙각(elevation angle)이 15°이상인 위성신호의 SNR(Signal to Noise Ratio)값이 20dB 미만인 경우 위성신호의 세기를 미약 또는 차단으로 판단한다.
관성 센서부(20)는, GPS 수신부(10)에서 수신한 위성신호의 신호세기가 미약 또는 차단으로 판단되면, 현재 GPS 수신부(10)의 위치정보를 계산할 수 있다. 이경우, 관성 센서부(20)는 IGS 궤도정보 제공부(30)로부터 위성의 위성 궤도정보를 제공받아 GPS 수신부(10)의 위치정보를 계산할 수 있다.
코드 측정치 생성부(40)는 관성 센서부(20)를 통해 계산된 GPS 수신부(10)의 위치정보와 IGS 궤도정보 제공부(30)에서 제공된 위성 궤도정보를 통해 코드 측정치를 생성할 수 있다.
이 코드 측정치 생성부(40)는, 위성 궤도정보와 GPS 수신부(10)의 위치정보로부터 위성과 GPS 수신부(10)의 거리를 계산하는 제 1 거리 계산모듈(401)과, GPS 수신부(10)의 수신부 시계오차와 IGS 궤도정보 제공부(30)에서 제공된 위성의 위성 시계오차를 계산할 수 있는 제 1 시계오차 계산모듈(402)을 포함할 수 있다.
또한, 코드 측정치 생성부(40)는 Saastamoinen 모델과 Niell 사상함수를 사용하여 대류층 지연오차를 추정하는 제 1 지연오차 추정모듈(403)과, GPS 수신부(10)와 위성의 거리, 시계오차 및 대류층 지연오차를 이용하여 코드 측정치를 생성할 수 있는 코드 측정치 생성모듈(404)을 포함할 수 있다.
반송파 측정치 생성부(50)는 관성 센서부(20)에서 계산한 GPS 수신부(10)의 위치정보와 IGS 궤도정보 제공부(30)에서 제공된 위성 궤도정보를 통해 반송파 측정치를 생성할 수 있다.
이러한, 반송파 측정치 생성부(50)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 위성 궤도정보와 GPS 수신부의 위치정보로부터 위성과 GPS 수신부(10)의 거리를 계산하는 제 2 거리 계산모듈(501)과, GPS 수신부(10)의 수신부 시계오차와 위성의 위성 시계오차를 계산할 수 있는 제 2 시계오차 계산모듈(502) 및 Saastamoinen 모델과 Niell 사상함수를 사용하여 대류층 지연오차를 추정하는 제 2 지연오차 추정모듈(503)을 포함할 수 있다. 또한, 반송파 측정치 생성부(50)는 미지정수(Integer Ambiguity)를 추정하는 미지정수 추정모듈(504)과, GPS 수신부(10)와 위성의 거리, 시계오차, 대류층 지연오차 및 미지정수를 이용하여 반송파 측정치를 생성하는 반송파 측정치 생성모듈(505)을 포함할 수 있다.
미지정수 추정모듈(505)은, 이전 시간의 미지정수로부터 현재의 미지정수를 추정할 수 있고, 특히 미지정수는 시간이 지남에도 변하지 않는 일정한 값으로, 위성신호의 세기가 미약 또는 차단으로 판단되기 이전의 미지정수를 이전 시간의 미지정수로 나타낼 수 있다.
측위 결과 생성부(60)는 코드 측정치 생성부(40)에서 생성된 코드 측정치와 반송파 측정치 생성부(50)에서 생성된 반송파 측정치로부터 반송파 기반 측위 결과를 생성할 수 있다. 또한, 반송파 기반 측위로부터 추정한 현재 위치정보는 관성 센서부(20)에 적용되어 GPS 수신부(10)의 위치를 다시 계산할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법을 나타내는 흐름도이고, 도 5는 코드 측정치 생성부에서 GPS 수신부의 위치정보와 위성 궤도정보를 통해 코드 측정치를 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이며, 도 6은 반송파 측정치 생성부에서 GPS 수신부의 위치정보, 위성 궤도정보 및 미지정수를 통해 반송파 측정치를 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 선박의 GPS 수신부(10)를 통해 위성으로부터 위성신호를 수신하고(S101), GPS 수신부(10)는 수신한 위성신호의 신호세기가 미약 또는 차단인지를 판단한다(S102).
만약, GPS 수신부(10)를 통해 위성신호의 세기가 미약 또는 차단으로 판단되는 경우, 관성 센서부(20)에서는 IGS 궤도정보 제공부(30)를 통해 위성 궤도정보와 위성 시계오차를 획득하여(S103), 현재 GPS 수신부(10)의 위치정보를 계산한다(S104). 이때, GPS 수신부(10)는 다음의 관계식을 통해 GPS 수신부(10)의 현재 위치에 대한 위치정보를 계산할 수 있다.
[식 1]
Figure 112012084408012-pat00004
여기에서, X는 GPS 수신부의 위치를 나타내고, 아래첨자인 GPS 및 INS는 위치를 계산한 센서를 나타낸다.
다음에, 코드 측정치 생성부(30)는 관성 센서부(20)를 통해 계산된 GPS 수신부(10)의 위치정보와 위성 궤도정보를 통해 코드 측정치를 생성한다. 코드 측정치의 생성은, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제 1 거리 계산모듈(401)을 통해 GPS 수신부의 위치정보와 위성 궤도정보로부터 GPS 수신부(10)와 위성의 거리를 계산하고(S201), 제 1 시계오차 계산모듈(402)에서 GPS 수신부(10)의 수신부 시계오차와 위성의 위성 시계오차를 통해 시계오차를 계산한다(S202). 또한, 제 1 지연오차 추정모듈(403)에서 Saastamoinen 모델과 Niell 사상함수를 사용하여 대류층 지연오차를 추정한다(S203).
이후, 코드 측정치 생성모듈(404)에서는 GPS 수신부와 위성의 거리, 시계오차 및 대류층 지연오차로부터 다음의 관계식을 통해 코드 측정치를 생성한다(S204).
[식 2]
Figure 112012084408012-pat00005
여기에서, ρ는 위성과 GPS 수신부 사이의 거리, c는 빛의 속도, dt는 수신부 시계오차, dT는 위성 시계오차, T는 대류층 지연오차 및 ω(t)는 측정 잡음을 나타낸다. IF는 Ionosphere Free를 나타내며, 특히 코드 측정치는 이중주파수를 시용함으로써 이온층 지연을 제거한다.
다음에 반송파 측정 생성부(50)에서는 GPS 수신부(10)의 위치정보, 위성 궤도정보 및 미지정수(Integer Ambiguity)를 통해 반송파 측정치를 생성한다(S106). 반송파 측정치의 생성은 도 6에 나타낸 바와 같이, 제 2 거리 계산모듈(501)에서, GPS 수신부(10)의 위치정보와 위성 궤도정보로부터 GPS 수신부(10)와 위성의 거리를 계산하고(S301), 제 2 시계오차 계산모듈(502)에서 GPS 수신부(10)의 수신부 시계오차와 위성의 위성 시계오차를 통해 시계오차를 계산한다(S302).
또한, 제 2 지연오차 추정모듈(503)에서는 Saastamoinen 모델과 Niell 사상함수를 사용하여 대류층 지연오차를 추정한다(S303). 이때, 제 2 지연오차 추정모듈(503)에서는 대류층 지연오차 외에 이온층 지연오차 등 기타 지연오차도 모델을 통하여 추정할 수 있다.
이후, 미지정수 추정모듈(504)에서 반송파 특성정보로서, 미지정수(Integer Ambiguity)를 추정한다(S304). 이 미지정수는 시간이 지남에도 변하지 않는 일정한 값으로, 미지정수 추정모듈(505)에서는 이전 시간의 미지정수로부터 현재의 미지정수를 추정할 수 있고, 특히 위성신호의 세기가 미약 또는 차단으로 판단되기 이전의 미지정수를 미지정수로 추정할 수 있다.
다음에, 반송파 측정치 생성모듈(505)에서는 GPS 수신부(10)와 위성의 거리, 시계오차, 대류층 지연오차 및 반송파 특성정보를 이용하여 반송파 측정치를 생성한다(S305).
반송파 측정치 생성모듈(505)을 통한 반송파 측정치의 생성은, 다음의 관계식을 통해 생성될 수 있다.
[식 3]
Figure 112012084408012-pat00006
여기에서, ρ는 위성과 GPS 수신부 사이의 거리, c는 빛의 속도, dt는 수신부 시계오차, dT는 위성 시계오차, T는 대류층 지연오차, f는 위성 신호의 주파수, λ는 파장, 아래첨자는 L1, L2신호, N은 미지정수 및 ω(t)는 측정 잡음을 나타낸다. 또한, IF는 Ionosphere Free를 나타낸다.
코드 측정치 생성부(40) 및 반송파 측정치 생성부(50)를 통해 생성된 코드 측정치와 반송파 측정치를 통해 측위 결과 생성부(60)에서는 반송파 기반의 측위 결과를 생성하고(S107), 또한, 반송파 기반 측위로부터 추정한 현재 위치정보는 단계(S103)에서 관성 센서부(20)에 적용되어 GPS 수신부(10)의 위치를 다시 계산하는데 적용될 수 있다.
도 7의 a 및 b는 시뮬레이션을 통한 위성 배치도 및 위성의 개수를 나타내는 예시도로서 총 180초 동안의 실험 중 61초에서 120초 사이에 모든 위성의 신호가 미약 또는 차단되어 항법이 불가능한 것을 나타낸다. 이때, 관성센서만을 사용하여 항법을 수행한 결과를 도 8에 나타냈다. 도 8의 a 및 b에 나타낸 바와 같이, 60초 동안을 관성센서만으로 항법을 한 측위 결과가 0.50m(RMS)로, 측위 정확도가 낮음을 알 수 있다.
그러나, 도 9의 a 및 b에 나타낸 바와 같이, 측위 성능이 0.13m(RMS)로, 측위 정확도가 높을 알 수 있고, 특히 위성신호의 미약 또는 차단 시에도 미지정수를 연속적으로 검출할 수 있어 관성센서만을 이용하는 것보다 측위 정확도가 우수함을 알 수 있다.
따라서, 상기와 같이 본 발명의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법을 통해 일시적인 미약신호 환경에서도 연속적이며 안정적인 측위 결과를 생성함으로써 안전한 항법을 수행할 수 있는 특징이 있다.
또한, 본 발명은 코드 측정치 생성부에서 수신부와 위성의 거리, 시계오차 및 지연오차가 계산되고, 반송파 측정치 생성부에서 수신부와 위성의 거리, 시계오차 및 지연오차가 계산되었지만, 각각의 공통된 모듈을 통해 계산을 수행할 수도 있다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 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 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : GPS 수신부 20 : 관성 센서부
30 : IGS 궤도정보 제공부 40 : 코드 측정치 생성부
50 : 반송파 측정치 생성부 60 : 측위 결과 생성부

Claims (14)

  1. 선박의 GPS 수신부를 통해 위성신호를 수신하는 제 1 단계;
    상기 GPS 수신부에서 수신한 상기 위성신호의 신호세기가 미약 또는 차단인지를 판단하는 제 2 단계;
    상기 제 2 단계에서, 위성신호의 세기가 미약 또는 차단으로 판단되는 경우, 관성 센서부에서 IGS(International GNSS Service) 궤도정보 제공부를 통해 위성 궤도정보를 제공받아 현재 GPS 수신부의 위치정보를 계산하는 제 3 단계;
    코드 측정치 생성부에서 상기 GPS 수신부의 위치정보와 상기 위성 궤도정보를 통해 코드 측정치를 생성하는 제 4 단계;
    반송파 측정치 생성부에서 상기 GPS 수신부의 위치정보, 상기 위성 궤도정보 및 미지정수(Integer Ambiguity)를 통해 반송파 측정치를 생성하는 제 5 단계;
    생성된 상기 코드 측정치 및 반송파 측정치로부터 반송파 기반 측위 결과를 생성하는 제 6 단계;를 포함하고,
    상기 제 2 단계에서, 상기 GPS 수신부는 앙각(elevation angle)이 15°이상인 위성신호의 SNR(Signal to Noise Ratio)값이 20dB 미만인 경우 위성신호의 세기를 미약 또는 차단으로 판단하는 것을 특징으로 하는 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 단계는, 다음의 관계식을 통해 현재 GPS 수신부의 위치정보를 계산하는 것을 특징으로 하는 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법.
    Figure 112012084408012-pat00007

    (여기에서, X는 GPS 수신부의 위치를 나타내고, 아래첨자 GPS 및 INS는 위치를 계산한 센서를 나타냄)
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 4 단계는,
    상기 GPS 수신부의 위치정보와 상기 위성 궤도정보로부터 상기 GPS 수신부와 위성의 거리를 계산하는 공정;
    상기 GPS 수신부의 수신부 시계오차와 상기 위성의 위성 시계오차를 통해 시계오차를 계산하는 공정;
    대류층 지연오차를 추정하는 공정; 및
    상기 GPS 수신부와 위성의 거리, 시계오차 및 대류층 지연오차를 이용하여 코드 측정치를 생성하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 코드 측정치를 생성하는 공정은 다음의 관계식을 통해 코드 측정치를 생성하는 것을 특징으로 하는 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법.
    Figure 112012084408012-pat00008

    (여기에서, ρ는 위성과 GPS 수신부 사이의 거리, c는 빛의 속도, dt는 수신부 시계오차, dT는 위성 시계오차, T는 대류층 지연오차 및 ω(t)는 측정 잡음을 나타냄)
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 5 단계는,
    상기 GPS 수신부의 위치정보와 상기 위성 궤도정보로부터 상기 GPS 수신부와 위성의 거리를 계산하는 공정;
    상기 GPS 수신부의 수신부 시계오차와 상기 위성의 위성 시계오차를 통해 시계오차를 계산하는 공정;
    대류층 지연오차를 추정하는 공정;
    미지정수(Integer Ambiguity)를 추정하는 공정; 및
    상기 GPS 수신부와 위성의 거리, 시계오차, 대류층 지연오차 및 미지정수를 이용하여 반송파 측정치를 생성하는 공정;을 포함하고,
    미지정수는 이전 시간의 미지정수로 추정되는 것을 특징으로 하는 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반송파 측정치를 생성하는 공정은 다음의 관계식을 통해 반송파 측정치를 생성하는 것을 특징으로 하는 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법.
    Figure 112012084408012-pat00009

    (여기에서, ρ는 위성과 GPS 수신부 사이의 거리, c는 빛의 속도, dt는 수신부 시계오차, dT는 위성 시계오차, T는 대류층 지연오차, f는 위성 신호의 주파수, λ는 파장, 아래첨자는 L1, L2신호, N은 미지정수 및 ω(t)는 측정 잡음을 나타냄)
  7. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 대류층 지연오차는 Saastamoinen 모델과 Niell 사상함수를 사용하여 추정되는 것을 특징으로 하는 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 6 단계에서 생성된 측위 결과는 상기 관성 센서부에서 추정된 일정 시간 동안의 이동 거리값과 더해져 현재 GPS 수신부의 위치정보를 계산하는데 적용되는 것을 특징으로 하는 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성방법.
  9. 위성신호 미약 환경에서의 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성장치에 있어서.
    위성으로부터 위성신호를 수신하여 위성신호의 신호세기를 판단하는 GPS 수신부;
    위성의 위성 궤도정보를 제공하는 IGS(International GNSS Service) 궤도정보 제공부;
    GPS 수신부에서 수신한 상기 위성신호의 신호세기가 미약 또는 차단으로 판단되는 경우, 상기 위성 궤도정보를 바탕으로 현재 GPS 수신부의 위치정보를 계산하는 관성 센서부;
    위성의 위성 궤도정보를 제공하는 IGS(International GNSS Service) 궤도정보 제공부;
    상기 관성 센서부에서 계산한 위치정보와 상기 IGS 궤도정보 제공부에서 제공된 위성 궤도정보를 통해 코드 측정치를 생성하는 코드 측정치 생성부;
    상기 관성 센서부에서 계산한 위치정보와 상기 IGS 궤도정보 제공부에서 제공된 위성 궤도정보를 통해 반송파 측정치를 생성하는 반송파 측정치 생성부; 및
    생성된 상기 코드 측정치 및 반송파 측정치로부터 반송파 기반 측위 결과를 생성하는 측위 결과 생성부;를 포함하고,
    상기 GPS 수신부는 앙각(elevation angle)이 15° 이상인 위성신호의 SNR(Signal to Noise Ratio)값이 20dB 미만인 경우 위성신호의 세기를 미약 또는 차단으로 판단하는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 관성 센서부는, 다음의 관계식을 통해 현재 GPS 수신부의 위치정보를 계산하는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성장치.
    Figure 112012084408012-pat00010

    (여기에서, X는 GPS 수신부의 위치를 나타내고, 아래첨자 GPS 및 INS는 위치를 계산한 센서를 나타냄)
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 코드 측정치 생성부는,
    상기 위성 궤도정보와 상기 GPS 수신부의 위치정보로부터 위성과 상기 GPS 수신부의 거리를 계산하는 제 1 거리 계산모듈;
    상기 GPS 수신부의 수신부 시계오차와 상기 위성의 위성 시계오차를 계산하는 제 1 시계오차 계산모듈; 및
    Saastamoinen 모델과 Niell 사상함수를 사용하여 대류층 지연오차를 추정하는 제 1 지연오차 추정모듈; 및
    상기 GPS 수신부와 위성의 거리, 시계오차 및 대류층 지연오차를 이용하여 코드 측정치를 생성하는 코드 측정치 생성모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 코드 측정치 생성모듈은, 다음의 관계식을 통해 코드 측정치를 생성하는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성장치.
    Figure 112012084408012-pat00011

    (여기에서, ρ는 위성과 GPS 수신부 사이의 거리, c는 빛의 속도, dt는 수신부 시계오차, dT는 위성 시계오차, T는 대류층 지연오차 및 ω(t)는 측정 잡음을 나타냄)
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 반송파 측정치 생성부는,
    상기 위성 궤도정보와 상기 GPS 수신부의 위치정보로부터 위성과 상기 GPS 수신부의 거리를 계산하는 제 2 거리 계산모듈;
    상기 GPS 수신부의 수신부 시계오차와 상기 위성의 위성 시계오차를 계산하는 제 2 시계오차 계산모듈;
    Saastamoinen 모델과 Niell 사상함수를 사용하여 대류층 지연오차를 추정하는 제 2 지연오차 추정모듈;
    미지정수(Integer Ambiguity)를 추정하는 미지정수 추정모듈; 및
    상기 GPS 수신부와 위성의 거리, 시계오차, 대류층 지연오차 및 이전 시간의 미지정수를 이용하여 반송파 측정치를 생성하는 반송파 측정치 생성모듈;을 포함하고,
    상기 미지정수 추정모듈은 이전 시간의 미지정수로 미지정수를 추정하는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 반송파 측정치 생성모듈은, 다음의 관계식을 통해 반송파 측정치를 생성하는 것을 특징으로 하는 관성센서를 이용한 선박의 위성측정치 생성장치.
    Figure 112012084408012-pat00012

    (여기에서, ρ는 위성과 GPS 수신부 사이의 거리, c는 빛의 속도, dt는 수신부 시계오차, dT는 위성 시계오차, T는 대류층 지연오차, f는 위성 신호의 주파수, λ는 파장, 아래첨자는 L1, L2신호, N은 미지정수 및 ω(t)는 측정 잡음을 나타냄)
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