KR101435584B1 - 난류 검출 시스템 및 검출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 난류 검출 시스템은 정지궤도 기상위성, 위성신호 수신기, 및 난류 검출 장치를 포함하여, 정지궤도 기상위성에서 검출된 밝기온도와 반사도의 시간균질도 및 공간 균질도를 검출하여 난류 세기를 결정하는 난류 검출 시스템 및 난류 검출 방법을 제공한다.

Description

난류 검출 시스템 및 검출 방법{Turbulence Detection System and Detection Method}
본 발명은 난류 검출 시스템 및 검출 방법에 관한 것으로, 특히 정지궤도 기상위성에서 검출된 밝기온도와 반사도의 시간 균질도 및 공간 균질도를 검출하여 난류를 검출하는 난류 검출 시스템 및 난류 검출 방법에 관한 것이다.
난류는 급격히 발달하는 대류운에 의해 발생하거나 산악 또는 제트류 부근의 연직 시어(shear) 작용이 강한 지역에서 주로 발생한다. 대한민국의 경우, 강한 제트류가 있는 지역에 위치해 있고, 복잡한 지형으로 난류 발생 확률이 상대적으로 높다. 그 결과 항공청 통계조사에 따르면, 1957년부터 현재까지 대한민국 지역에서 날씨와 관련하여 발생한 항공기 사고의 24%가 난류로 인해 발생했다고 보고되고 있다.
이러한 이유로 비행기 운행시 계기의 기능을 저하하고 심할 경우, 승객과 승무원들의 인명피해를 유발하는 난류 발생을 예측하는 것이 필요하고, 특히, 항공기 산업의 발달과 국가별 항공 교통량 증가에 따라 보다 신속하고 정확한 난류 발생 예측을 필요로 하게 되었다.
현재 미국을 포함한 여러 국가에서 수치모델의 예보장과 레이더, 항공 관측을 함께 사용하여 난류를 예측하고 있다. 그러나 매우 작은 규모로 짧은 시간동안 발생하는 난류의 특성으로 정확한 예측이 매우 어려운 문제점이 있다.
난류는 상대적으로 큰 규모의 위성관측을 이용하여 청천난류나 대류에 의한 난류를 기존의 지상관측 및 모델링과 접합함으로써 난류를 예측하고 있다. 그리고 유럽의 경우, 기상위성을 이용하여 난류를 모니터링하고 있다. 그러나 이러한 항공기상요소들은 각 국가의 특성에 맞춰서 그 국가에 한정하여 예측이 이루어지고 있으므로 우리나라에 바로 적용하는 데에는 어려움이 있다.
기존의 난류 관측 방법으로는 구름 사진을 촬영하여 구름 표면의 비균질함을 난류의 풋프린트(foot print)로 보아 난류를 관측하였는데, 특히 청천 난류와 같이 구름이 없을 때 발생하는 난류는 관측이 불가능한 문제점이 있다.
또한, 위성 데이터를 분석하여 예보하는데 시간이 소요되어 현재 3시간마다 기상예보가 이루어지고 있는데, 난류의 경우 시간 변화에 따른 변동이 심해 보다 빠른 예보가 필요하다.
난류 산출은 직접 산출이 아닌 난류 산출 모델링 결과를 이용하거나 지상 및 비행기 조종사에 의해 직접 관측되는 난류 보고에 의한 것으로 국한되어 난류 탐지를 이용하는 데 어려움이 있어, 보다 정밀한 난류 탐지 기술이 요구된다.
본 발명은 국가기상위성센터에서 제공하는 MTSAT, COMS 위성자료를 이용하여 난류의 실제 상황을 파악하여 항공기에 직접 제공할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 적외선 채널용 관측센서 및 가시광선 검출용 관측센서를 구비하고 적외선 채널 및 가시광선 채널로 감지값을 출력하는 정지궤도 기상위성; 상기 정지궤도 기상위성으로부터 적외선 채널 출력값 및 가시광선 채널 출력값을 수신하는 위성신호 수신기; 상기 적외선 채널 출력값을 밝기온도 값으로 변환하고, 상기 밝기온도 값의 표준편차를 산출하여 관측 지역의 밝기 온도의 시간균질도와 공간 균질도를 산출하고, 시간 균질도가 설정값이상이면 약한 세기의 난류로 판단하고, 상기 약한 세기의 난류로 판단된 관측 지역의 공간 균질도가 설정값이상이면 중간 이상 세기의 난류로 판단하여 난류 검출 정보를 출력하는 난류 검출 장치를 포함하는 난류 검출 시스템을 제공한다.
상기 난류 검출 장치는 상기 가시채널 출력값을 반사도로 변환하고, 상기 중간 이상 세기의 난류로 판단한 상기 관측 지역의 상기 반사도 값이 이전 기준 시간과 비교하여 설정 값 이하이면 약한 세기의 난류로 보정할 수 있다.
상기 정지궤도 기상위성은 적외선 1채널, 적외선 2채널, 수증기 채널, 가시 채널의 이진 자료를 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 난류 검출 장치는 이전 기준 시간과의 밝기 온도 차가 설정값 이상이면 약한 세기의 난류로 판단하고, 설정 범위의 밝기 온도의 표준 편차가 설정값 이상이면 중간 이상 세기의 난류로 판단하고, 중간 이상 세기의 난류로 판단된 관측 지역의 상기 반사도 값이 이전 기준 시간과 비교하여 설정값 이하이면 약한 세기의 난류로 보정할 수 있다.
상기 난류 검출 장치는 상기 난류 검출 정보를 바람 벡터와 함께 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 정지궤도 기상위성으로부터 관측 지역의 적외선 채널의 밝기 온도값과 가시 채널의 반사도값을 수신하는 단계; 상기 단계에 상기 밝기 온도가 이전 시간의 밝기 온도와의 차를 산출하여 설정 값 이상일 경우 약한 세기의 난류로 판단하는 단계; 상기 단계에서 약한 세기의 난류로 판단된 관측 지역의 설정 범위의 표준 편차가 설정 값 이상이면 중간 이상 세기의 난류로 판단하는 단계; 및 상기 단계에서 중간 이상 세기의 난류로 판단한 지역의 이전 시간과의 반사도의 차이가 설정 값 이하이면 약한 세기의 난류로 보정하는 단계를 포함하는 난류 검출 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 난류 탐지 시스템에 의하면 넓은 영역에서 관측에 기반한 난류의 실제 상황을 파악할 수 있으며, 난류 탐지 자료가 항공기 조종사들에게 직접 제공되어 항공기 운항에 도움이 될 수 있다.
본 발명에 따르면, 천리안 위성을 이용한 난류 예측 정보 제공으로 초단기 및 실황 예보 지원을 위한 중소규모 예보 능력 향상에 기여할 수 있고, 선행 시그널 탐지 능력을 향상시키고, 신속하고 정확한 가치 있는 기상정보 서비스 제공할 수 있도록 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 난류 검출 시스템의 일 실시예를 나타낸 블럭도,
도 2 는 본 발명에 따른 난류 검출 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도, 및
도 3 은 본 발명에 따른 난류 검출 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명은, 정지궤도 기상위성에서 검출된 밝기온도와 반사도의 시간균질도 및 공간 균질도를 검출하여 발생할 난류 세기를 검출하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 난류 탐지 시스템은 정지궤도 기상위성, 위성신호 수신기, 및 난류 검출 장치를 포함한다.
정지궤도 기상위성(10)은 적외선 채널용 관측센서 및 가시광선 검출용 관측센서를 구비하여 그 감지값을 출력한다. 천리안 위성의 경우, 적외선 1채널, 적외선 2채널, 수증기 채널, 가시 채널의 이진 자료를 출력한다. 본 발명에서는 적외선 1채널과 적외선 2채널의 밝기 온도값과 가시 채널의 반사도값을 사용한다.
위성신호 수신 장치(20)는 상기 정지궤도 기상위성(10)으로부터 적외선 1채널, 적외선 2채널, 가시채널의 출력신호를 수신한다.
난류 검출 장치(30)는 상기 적외선 1채널, 적외선 2채널의 출력값을 밝기온도값으로 변환하고, 상기 가시채널 출력값을 반사도로 변환하고, 관측 지역의 상기 밝기온도의 표준편차를 산출하여 상기 표준편차를 이용하여 상기 관측 지역의 밝기온도의 시간균질도와 공간균질도를 산출하고 상기 이전 시간과의 밝기 온도 차가 설정값 이상이면 약한 세기의 난류로 판단하고, 상기 관측 지역의 표준 편차가 설정값이상이면 중간 이상 세기의 난류로 판단한다.
상기 난류 검출 장치(30)는 상기 중간 이상 세기의 난류로 판단한 관측 지역의 가시채널의 반사도 차이가 설정값 이상이면 약한 세기의 난류로 판단하여 난류 검출 정보를 출력한다.
상기 난류 검출 장치(30)는 상기 난류 검출 정보를 바람 벡터와 함께 항공기 운항을 위해 제공할 수 있다.
상기와 같이 구성된 난류 검출 시스템의 난류 검출 방법은 다음과 같다.
먼저 정지궤도 기상위성으로부터 관측 지역의 적외선 채널의 밝기 온도값과 가시 채널의 반사도값을 수신하는 단계(S10), 상기 S10 단계에 상기 밝기 온도가 이전 시간의 밝기 온도와의 차를 산출하여 설정 값 이상일 경우 약한 세기의 난류로 판단하는 단계(S20), 상기 S20 단계에서 약한 세기의 난류로 판단된 관측 지역의 설정 범위의 표준 편차가 설정 값이상이면 중간 이상 세기의 난류로 판단하는 단계(S30), 상기 S30 단계에서 중간 이상 세기의 난류로 판단한 지역의 이전 시간과의 반사도의 차이가 설정값이하이면 약한 세기의 난류로 보정하는 단계(S40)를 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 난류 검출 시스템 및 검출 방법을 실시예를 통해 설명하면 다음과 같다.
일 실시예에 따르면, 정지궤도 기상위성의 적외채널1 (IR10.8), 적외채널2 (IR12.0), 수증기 채널 (WV6.7)의 밝기 온도를 검출하고, 이전 시간과의 밝기 온도 차이의 경계값이 각각 3.79K, 3.33K, 0.5K일 경우 약한 세기의 난류로 판단한다. 즉, 관측 지점에서 모든 채널에서 이전 시간과의 밝기온도 차이가 경계값 이상이 되면 약한 세기의 난류로 검출하고, 공간 균질도 판단으로 관측 지점에서 IR10.8, IR12.0, WV6.7의 5x5 픽셀에서 표준편차가 25.22, 25.45, 9.48 이상이면 중간 이상 세기의 난류로 판단한다. 여기서 정확도를 증가시키기 위해, 가시 채널 반사도의 차이를 이용하여 중간 강도 이상의 난류 중 이전 시간과의 반사도의 차이가 0.01 이하인 경우 약한 난류로 판단한다.
난류가 발생하면 기존에 존재하던 상태를 교란시키게 된다. 그러므로 본 발명에 따른 난류 검출 시스템 및 검출 방법은 이전 시간과의 시간균질성과 주변의 공간 균질성 검사를 통하여 난류를 탐지한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 난류 검출 시스템은 3개의 적외채널 (WV6.7 IR10.8, IR12.0)의 밝기온도와 가시채널의 반사도 및 위경도 정보를 입력 자료로 활용한다. 그 외 보조적으로 CMDPS의 구름상과 바람벡터 정보와 파이렙 관측자료를 이용할 수 있다. 바람벡터는 난류 결과와 함께 표출하기 위한 보조자료이다. 그리고 파이렙 자료의 경우, 검출 결과를 검증하기 위해 필요한 보조자료이다.
난류 검출 시스템에서 산출된 난류 결과를 검증하는 방법에는 악 기상 사건이 예보되면 관측을 통해 그 발생 여부를 확인하는 예보 중심 검증 방식과 기준 관측 데이터를 기준으로 예보 모델의 결과값을 비교하는 관측 중심의 검증 방식이 있는데, 항공기 난류의 경우 시간과 장소에 대한 임의적인 관측이 어렵기 때문에 관측 중심의 검증이 요구된다.
또한 난류의 사례분석 결과 남풍계열의 강한 바람이 있을 때 난류가 탐지되는 경향이 많은 것으로 보아 대기운동벡터(바람 벡터)를 중첩하여 표출시키는 것이 바람직하다.
도 3은 전술한 시스템에 의해 검출된 난류탐지 결과를 지도에 중첩 표출시킨 도면으로, 연녹색은 약한 난류를 노랑색은 중 또는 강한 난류를 나타낸다. 도면 중 + 표시는 파이랩 관측 지점으로, 파이랩 관측 자료와 비교할 경우, 한반도 부근영역에서 일치성이 양호한 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 가시채널의 반사도를 이용하여 난류의 세기를 검출함으로써, 난류 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
10 : 정지궤도 기상위성 20 : 위성신호 수신기
30 : 난류 검출 장치

Claims (6)

  1. 적외선 채널용 관측센서 및 가시광선 검출용 관측센서를 구비하고 적외선 채널 및 가시광선 채널로 감지값을 출력하는 정지궤도 기상위성;
    상기 정지궤도 기상위성으로부터 적외선 채널 출력값 및 가시광선 채널 출력값을 수신하는 위성신호 수신기;
    상기 적외선 채널 출력값을 밝기온도 값으로 변환하고, 상기 밝기온도 값의 표준편차를 산출하여 관측 지역의 밝기 온도의 시간균질도와 공간 균질도를 산출하고, 시간 균질도가 설정값이상이면 약한 세기의 난류로 판단하고, 상기 약한 세기의 난류로 판단된 관측 지역의 공간 균질도가 설정값이상이면 중간 이상 세기의 난류로 판단하여 난류 검출 정보를 출력하는 난류 검출 장치를 포함하는 난류 검출 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 난류 검출 장치는 상기 가시광선 채널 출력값을 반사도로 변환하고, 상기 중간 이상 세기의 난류로 판단한 상기 관측 지역의 상기 반사도 값이 이전 기준 시간과 비교하여 설정 값 이하이면 약한 세기의 난류로 보정하는 난류 검출 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정지궤도 기상위성은 적외선 1채널, 적외선 2채널, 수증기 채널, 가시 채널의 이진 자료를 출력하는 난류 검출 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 난류 검출 장치는 이전 기준 시간과의 밝기 온도 차가 설정값 이상이면 약한 세기의 난류로 판단하고, 설정 범위의 밝기 온도의 표준 편차가 설정값 이상이면 중간 이상 세기의 난류로 판단하고, 중간 이상 세기의 난류로 판단된 관측 지역의 상기 반사도 값이 이전 기준 시간과 비교하여 설정값 이하이면 약한 세기의 난류로 보정하는 난류 검출 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 난류 검출 장치는 상기 난류 검출 정보를 바람 벡터와 함께 제공하는 난류 검출 시스템.
  6. 정지궤도 기상위성으로부터 관측 지역의 적외선 채널의 밝기 온도값과 가시 채널의 반사도값을 수신하는 단계;
    상기 단계에 상기 밝기 온도가 이전 시간의 밝기 온도와의 차를 산출하여 설정 값 이상일 경우 약한 세기의 난류로 판단하는 단계;
    상기 단계에서 약한 세기의 난류로 판단된 관측 지역의 설정 범위의 표준 편차가 설정 값 이상이면 중간 이상 세기의 난류로 판단하는 단계; 및
    상기 단계에서 중간 이상 세기의 난류로 판단한 지역의 이전 시간과의 반사도의 차이가 설정 값 이하이면 약한 세기의 난류로 보정하는 단계를 포함하는 난류 검출 방법.
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