KR101334190B1 - 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법 및 이의 저장 매체 - Google Patents

항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법 및 이의 저장 매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 항적 연관 및 융합 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 통신량이 제한된 환경에서 많은 데이터량을 차지하는 오차공분산의 일부 정보만을 이용하여 항적들을 연관 짓고 융합할 수 있게 하는 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 수백 개의 항적이 존재하고 각 항적정보를 이용하여 항적을 관리하고 융합을 해야 하는 방공 지휘 통제 경보 체계와 같은 시스템에서는 데이터 전송량에 대한 하드웨어적인 대역 제한(Band limit)이 존재하기 때문에 적합하다.

Description

항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법 및 이의 저장 매체{Method for producing at least information for track fusion and association for Radar Target Tracking, and Storage medium thereof}
본 발명은 항적 연관 및 융합 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 통신량이 제한된 환경에서 많은 데이터량을 차지하는 오차공분산의 일부 정보만을 이용하여 항적들을 연관 짓고 융합할 수 있게 하는 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법에 대한 것이다.
또한, 본 발명은 통신량이 제한된 환경에서 많은 데이터량을 차지하는 오차공분산의 일부 정보만을 이용하여 항적들을 연관 짓고 융합할 수 있게 하는 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법을 저장하는 저장 매체에 대한 것이다.
일반적으로 항적 연관 및 융합 기법의 수행을 위해 항적의 상태 변수와 오차공분산의 모든 데이터를 융합을 수행하는 융합센터로 모두 전송을 해야 했었다.
그런데, 이럴 경우 전송해야 하는 데이터량이 많기 때문에 데이터 통신량이 한정되어 있는 환경에서 사용하기에는 적합하지 않았다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서 항적 연관 및 융합 기법에 사용되는 데이터 중 가장 많은 데이터량을 차지하는 오차공분산의 최소 정보를 산출하여 전송하는 방법으로 기존의 항적 연관 & 융합 성능과 유사한 추정성능을 보이는 알고리즘이 필요하게 되었다.
1. 최원용, 홍순목, 이동관, 정재경, "레이다 항적 융합 연구의 최근 동향", 한국군사과학기술학회지, 제11권, 제1호, pp. 85~92, 2008.2 2. 최원용, 홍순목, 이동관, 정재경, 조길석,"다중레이다 분산형 추적의 항적연관 및 융합 성능평가", 한국군사과학기술학회지, 제11권, 제6호, pp. 38~92, 2008.46 3. 권철희, 홍동호, 이동언, 이종순, 김영빈, "효율적인 방공 지휘통제경보체계를 위한 설계 및 구현", 한국군사과학기술학회지, 제12권, 제6호, pp. 733~738, 2009년 12월
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하고자 제안된 것으로서, 신량이 제한된 환경에서 많은 데이터량을 차지하는 오차공분산의 일부 정보만을 이용하여 항적들을 연관 짓고 융합할 수 있게 하는 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 통신량이 제한된 환경에서 많은 데이터량을 차지하는 오차공분산의 일부 정보만을 이용하여 항적들을 연관 짓고 융합할 수 있게 하는 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법을 저장하는 저장 매체를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제기된 과제를 달성하기 위해, 통신량이 제한된 환경에서 많은 데이터량을 차지하는 오차공분산의 일부 정보만을 이용하여 항적들을 연관 짓고 융합할 수 있게 하는 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법을 제공한다.
상기 최소 정보량 산출 방법은, 센싱 주기마다 표적의 측정치를 수집하는 측정치 수집 단계; 수집된 측정치를 이용하여 상기 표적에 대한 상태변수와 상기 상태변수에 대한 오차 공분산을 예측하고 쇄신하는 표적 추적 알고리즘을 이용하여 상기 표적을 추적하는 표적 추적 단계; 상기 오차 공분산 중 가장 많이 차지하는 오차 공분산의 데이터만을 포함하는 항적 정보를 융합 센터에 전송하는 항적 정보 전송 단계; 미리 저장된 융합 항적과 전송된 항적 정보간의 유사도를 계산하는 단계; 계산된 유사도를 이용하여 항적 정보를 분류하는 항적 분류 단계; 및 분류된 항적 정보에 따라 항적 융합을 수행하는 항적 융합 수행 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 표적 추적 알고리즘은 칼만필터인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 오차 공분산 중 가장 많이 차지하는 오차 공분산의 데이터는 최소 정보 산출 기술을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 상태 변수는 상기 표적의 3차원의 위치, 속도, 가속도인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 최소 정보 산출 기술은, 위치, 속도, 가속도의 분산 값 중 각 축별로 가장 큰 값을 대푯값으로 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 위치, 속도, 가속도의 오차는 각 축이 유사하다는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 상태변수 성분 간의 상관관계는 무시되는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편으로 본 발명의 다른 실시예는 위에서 기술된 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법을 실행하는 프로그램 명령 코드를 저장하는 저장 매체를 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존에 사용하는 항적연관 및 융합 기법에 비하여 통신량이 제한된 환경에서 많은 데이터량을 차지하는 오차공분산의 일부 정보만 이용하여 항적들을 연관 짓고 융합하는 알고리즘을 구현함으로써 융합 성능의 저하를 최소화하고 융합시 필요한 데이터를 줄임으로써 실시간 데이터 전송 및 계산을 가능하게 한다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는, 수백 개의 항적이 존재하고 각 항적정보를 이용하여 항적을 관리하고 융합을 해야 하는 방공 지휘 통제 경보 체계와 같은 시스템에서는 데이터 전송량에 대한 하드웨어적인 대역 제한(Band limit)이 존재하기 때문에 적합하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는, 방공 지휘 통제 경보 체계와 같은 시스템에서 핵심이 되는 항적연관 및 융합 기술을 제공함으로써 대역 폭(Band width)을 크게 늘리지 않고도 좋은 융합 성능을 얻을 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 표적을 검출하는 레이더 시스템을 이용한 네트워크 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 최소한의 오차 공분산 데이터 전송을 위한 레이더 시스템에서 표적 추적 알고리즘을 보여주는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 최소한의 오차 공분산 데이터 전송을 위한 항적 연관 및 융합 알고리즘을 보여주는 순서도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 각각 도시된 표적 추적 알고리즘과 항적 연관 및 융합 알고리즘의 관계를 이해하기 쉽게 병합하여 보여주는 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 표적을 검출하는 레이더 시스템을 이용한 네트워크 구성도이다. 특히, 도 1에 도시된 네트워크 구성도는 적응형 레이더 시스템을 보여주는데, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다양한 레이더 시스템이 가능하다.
도 1을 참조하면, 레이더 검출 시스템(10)은 복수의 송신기들(110, 112, 114)로부터의 신호들을 이용하여 관심있는 하나 또는 그 이상의 타겟들(150)을 트래킹하기 위한 수신 시스템(100)으로 구성된다.
수신 시스템(100)은 멀티스태틱의 넓은 영역 타겟 감독 센서들의 무리를 나타낸다. 수신 시스템(100) 시스템은 연속파(continuous wave;'CW') 등을 이용할 수 있다.
수신 시스템(100)은 복수의 송신기들(110, 112,114)로부터의 송신들을 수신할 수 있다. 그러나, 송신기들(110, 112, 및 114)은 제어되지 않은 신호들을 송신하기 위한 임의의 디바이스, 시스템 또는 수단을 포함할 수 있다.
송신기들(110, 112, 114)은 송신 신호들을 송신할 수 있다. 이러한 신호들의 일부는 하나 또는 그 이상의 관심있는 타겟들(150)에 의해 반사되고 수신 시스템(100)에 의해 수신된다.
예를 들어, 반사된 송신 신호(130)는 타겟(150)에 의해 반사될 수 있고 수신 시스템(100)에 의해 수신될 수 있다. 또한, 송신기(114)에 대해, 송신 신호(140)가 수신 시스템(100)에 의해 직접 수신될 수 있다. 수신 시스템(100)은 하나 또는 그 이상의 관심있는 타겟들(150)에 대한 위치적인 정보를 결정하기 위해 송신 신호(140)와 반사 신호(130)를 비교한다.
반사 신호(130)는 또한 타겟 경로 신호로 알려질 수 있다. 위치적인 정보는 도착 시간차(time difference of arrival;'TDOA'), 도착 주파수차(frequency difference of arrival;'FDOA'), 및 도착 각도(angle of arrival;'AOA')의 결정으로부터 위치, 속도 및 가속도를 포함하는, 타겟(150)의 위치에 관련된 임의의 정보를 포함할 수 있다.
물론, 수신 시스템(100)은 수신기(102), 처리 유닛(104) 등을 포함한다.
또한, 송신기(111)는 송신기 어레이일 수 있으며, 수신기(102)는 수신기 어레이일 수 있다. 송신기(111)는 복수의 소자들을 포함할 수 있으며, 각 소자는 독립적인 신호를 송신한다.
또한, 수신기(102)는 복수의 소자들을 포함하는 이동 수신기 어레이일 수 있으며, 각 소자는 산란된 신호를 수신하기 위해 배열된다.
처리 유닛(104)은 수신기(102) 및/또는 송신기(111,112,113)에 의해 생성된 수신 신호 정보 및/또는 송신 신호 정보들에 기초하여 타겟(150)의 위치를 결정한다. 또한, 로컬 항적의 상태 변수 및 오차 공분산을 계산하고, 이들 계산된 로컬 항적의 상태 변수 및 오차 공분산 중 많은 데이터량을 차지하는 오차 공분산의 데이터량을 최소화하여 융합 센터(190)에 전송한다.
융합 센터(190)는 다수의 처리 유닛(104)으로부터 전송받은 일부 데이터를 이용해서 항적연관을 수행하고, 그리고 항적융합을 수행하는 기능을 수행한다.
물론, 이를 위해 융합 센터(190)에는 항적연관 및/또는 항적융합을 수행하는 알고리즘을 구현하는 서버(미도시), 데이터베이스(미도시) 등이 구비된다. 이러한 항적연관 및 항적융합을 수행하기 위한 구성 등은 널리 알려져 있으므로 이에 대하여는 발명의 명확한 이해를 위해 더 이상의 설명을 생략하기로 한다.
특히, 본 발명의 일실시예는 통신량이 제한된 환경에서 많은 데이터량을 차지하는 오차 공분산의 일부 정보만 이용하여 항적들을 연관 짓고 융합하는 알고리즘으로 이루어진다.
부연하면, 본 발명의 일실시예에 따른 통신대역폭 제한이 있는 체계의 항적연관 및 융합을 위한 최소정보량 산출 방법은 항적 연관과 융합 기법을 수행하기 위해 각 센서에서 전송하는 표적에 대한 상태변수와 오차공분산 중 많은 데이터량을 차지하는 오차공분산의 데이터량을 최소화하여 전송하는 제 1 단계; 전송받은 일부 데이터를 이용해서 항적연관을 수행하는 제 2 단계; 그리고 항적융합을 수행하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 알고리즘을 도 2 내지 도 4를 참조하여 더 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 최소한의 오차 공분산 데이터 전송을 위한 레이더 시스템에서 표적 추적 알고리즘을 보여주는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 도 2에 도시된 표적 추적 알고리즘은 레이더에서 수행되는 알고리즘으로써 먼저 센싱 주기마다 표적의 측정치를 수집한다(단계 S200).
수집한 측정치를 이용하여 표적(도 1의 150)에 대한 상태변수와 이 상태변수의 오차 공분산을 예측하고 쇄신하는 표적 추적 알고리즘을 통해 표적(150)을 추적한다(단계 S210,S220). 여기서, 표적 추적 알고리즘은 칼만필터 등이 사용될 수 있다.
추적 결과, 로컬 항적 정보가 생성되고, 생성된 로컬 항적 정보는 항적을 연관 짓고 융합을 하는 융합센터(도 1의 190)로 전송된다(단계 S230).
물론, 로컬 항적 정보가 수신 시스템(도 1의 100)로부터 융합센터(도 1의 190)로 전송되는 경우, 기존의 항적 연관 및 융합을 위한 데이터를 모두 전송하는 것이 아니라 최소 정보 산출 기술을 이용하여 데이터량을 가장 많이 차지하는 오차공분산의 일부 데이터만 전송하게 된다.
또한, 항적 정보는 예측 및 쇄신된 상태 변수, 오차 공분산 등을 포함한다.
또한, 최소 정보 산출 기술은 상태변수가 3차원의 위치, 속도, 가속도라고 가정할 경우 위치, 속도, 가속도의 오차는 각 축이 유사하다는 가정과 상태변수 성분 간의 상관관계는 무시할 수 있다는 가정아래 위치, 속도, 가속도의 분산 값 중 각 축별로 가장 큰 값을 대푯값으로 산출한다.
이를 수식을 설명하면, 표적(150)의 상태 변수 성분(X)은 다음식과 같다.
[수학식 1]
Figure 112012096263586-pat00001

여기서,
Figure 112012096263586-pat00002
는 표적의 각 축의 위치성분을 나타내고,
Figure 112012096263586-pat00003
는 표적의 속도 성분을 나타내고,
Figure 112012096263586-pat00004
는 표적의 가속도 성분을 나타낸다. T는 트랜스포즈(transpose) 함수를 나타낸다.
물론, 여기서 상태 변수 성분 X는 가정한 값을 나타낸다.
이와 달리, 표적의 실제 추적(tracking) 결과값을 나타내는 상태 변수 성분은
Figure 112012096263586-pat00005
로 표시되며, 이러한
Figure 112012096263586-pat00006
의 신뢰도를 오차 공분산으로 표시하면 다음식과 같다.
[수학식 2]
Figure 112012096263586-pat00007

여기서 E[]는 평균값을 나타내며, 각 오차 공분산(
Figure 112012096263586-pat00008
)은 총 81개 데이터로 표현된다. 부연하면, 상태 변수 성분 X가 9개 이므로, 9ㅧ9 = 81개가 된다.
수학식 2에서 위치 성분(p), 속도 성분(v), 및 가속도 성분(α) 에 대하여 최댓값만을 선택하면 다음식과 같이 표시된다.
[수학식 3]
Figure 112012096263586-pat00009

수학식 3을 본 발명의 일실시예에 따른 새로운 오차 공분산
Figure 112012096263586-pat00010
로 표시하면 다음식과 같다.
[수학식 4]
Figure 112012096263586-pat00011

여기서,
Figure 112012096263586-pat00012
는 단위행렬을 나타내며,
Figure 112012096263586-pat00013
은 값이 "0"임을 나타낸다.
부연하면, 수학식 2의 행렬에서 대각선 방향만을 취함으로써 최댓값만을 선택된다.
오차 공분산이 대칭 행렬임을 감안했을 때, 이전 방식인 P로 전송할 경우, 데이터량이 45개가 되나, 본 발명의 일실시예에 따른 새로운 오차 공분산
Figure 112012096263586-pat00014
로 전송할 경우 데이터량이 3개가 된다.
따라서, 이러한 항적 정보를 이용하여 항적 융합 과정이 수행되며 이를 보여주는 도면이 도 3에 도시된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 최소한의 오차 공분산 데이터 전송을 위한 항적 연관 및 융합 알고리즘을 보여주는 순서도이다. 도 3을 참조하면, 융합센터(도 2의 190)는 각 레이더에서 전송받은 항적 정보를 이용하여 기존에 보유하고 있던 융합항적과의 유사도를 계산한다.
유사도가 계산되면, 계산된 유사도를 이용하여 항적분류를 통해 항적 융합을 수행하기 위한 각 융합항적과 레이더로부터 전송받은 항적의 짝을 분류해준다(단계 S310).
이후, 항적연관 기법을 통해 분류된 항적정보를 이용해서 최종적으로 항적 융합을 수행하게 된다(단계 S320).
도 4는 도 2 및 도 3에 각각 도시된 표적 추적 알고리즘과 항적 연관 및 융합 알고리즘의 관계를 이해하기 쉽게 병합하여 보여주는 순서도이다.
한편으로, 특히, 본 발명의 일실시예에 따른 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 코드 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 기록될 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 저장 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관등의 전송 매체일 수도 있다.
프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 본 발명의 일실시예는 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 제어기, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
소프트웨어적인 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하는 모듈로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 메모리 유닛에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리 유닛이나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속함을 이해해야 할 것이다.
10: 레이더 검출 시스템
100: 수신 시스템
102: 수신기
104: 처리 유닛
110,112,114: 송신기
130: 수신 신호
140: 송신 신호
150: 표적
190: 융합 센터

Claims (8)

  1. 센싱 주기마다 표적의 측정치를 수집하는 측정치 수집 단계;
    수집된 측정치를 이용하여 상기 표적에 대한 상태변수와 상기 상태변수에 대한 오차 공분산을 예측하고 쇄신하는 표적 추적 알고리즘을 이용하여 상기 표적을 추적하는 표적 추적 단계;
    상기 오차 공분산 중 가장 많이 차지하는 오차 공분산의 데이터만을 포함하는 항적 정보를 융합 센터에 전송하는 항적 정보 전송 단계;
    미리 저장된 융합 항적과 전송된 항적 정보간의 유사도를 계산하는 단계;
    계산된 유사도를 이용하여 항적 정보를 분류하는 항적 분류 단계; 및
    분류된 항적 정보에 따라 항적 융합을 수행하는 항적 융합 수행 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표적 추적 알고리즘은 칼만필터인 것을 특징으로 하는 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 오차 공분산 중 가장 많이 차지하는 오차 공분산의 데이터는 최소 정보 산출 기술을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상태 변수는 상기 표적의 3차원의 위치, 속도, 가속도인 것을 특징으로 하는 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 최소 정보 산출 기술은, 위치, 속도, 가속도의 분산 값 중 각 축별로 가장 큰 값을 대푯값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 위치, 속도, 가속도의 오차는 각 축이 유사하다는 것을 특징으로 하는 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 상태변수 성분 간의 상관관계는 무시되는 것을 특징으로 하는 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 항적 연관 및 융합을 위한 최소 정보량 산출 방법을 실행하는 프로그램 명령 코드를 저장하는 저장 매체.
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