KR101488134B1 - 구조물의 동적 변위 측정장치 및 그 방법 - Google Patents

구조물의 동적 변위 측정장치 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101488134B1
KR101488134B1 KR20140025663A KR20140025663A KR101488134B1 KR 101488134 B1 KR101488134 B1 KR 101488134B1 KR 20140025663 A KR20140025663 A KR 20140025663A KR 20140025663 A KR20140025663 A KR 20140025663A KR 101488134 B1 KR101488134 B1 KR 101488134B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
mobile stations
gps
mobile station
estimated
unit
Prior art date
Application number
KR20140025663A
Other languages
English (en)
Inventor
이흥규
Original Assignee
창원대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 창원대학교 산학협력단 filed Critical 창원대학교 산학협력단
Priority to KR20140025663A priority Critical patent/KR101488134B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101488134B1 publication Critical patent/KR101488134B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0041—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress
    • G01M5/005—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress by means of external apparatus, e.g. test benches or portable test systems
    • G01M5/0058—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress by means of external apparatus, e.g. test benches or portable test systems of elongated objects, e.g. pipes, masts, towers or railways
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/32—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring the deformation in a solid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/03—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers
    • G01S19/07—Cooperating elements; Interaction or communication between different cooperating elements or between cooperating elements and receivers providing data for correcting measured positioning data, e.g. DGPS [differential GPS] or ionosphere corrections
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/10—Services

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Tourism & Hospitality (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Economics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Human Resources & Organizations (AREA)
  • Marketing (AREA)
  • Primary Health Care (AREA)
  • Strategic Management (AREA)
  • General Business, Economics & Management (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

본 발명은 구조물의 동적 변위 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명은 구조물의 변위 측정을 위해 각각 2대 이상 설치한 GPS 기준국 및 이동국을 네트워크로 구성한 상태에서, 기하적 형상조건과 기하적 제약조건을 적용하여 GPS 이중 차분 데이터를 수학적으로 모형화한 후, 최소 제곱법 또는 칼만 필터와 순간 미지정수 결정기법을 통해 매 관측시간에 대하여 변위 측정으로 위해 설치한 이동국의 종/횡/높이 방향에 대한 3차원 좌표를 단일해로 동시에 추정하도록 데이터 처리 서버가 제공된다. 이에 따라 GPS에 의한 구조물 동적 3차원 변위 측정을 위해 추정하는 이동국 좌표의 정확도를 향상시키는 이점이 있다.

Description

구조물의 동적 변위 측정장치 및 그 방법{Apparatus and Method for Measuring Kinematic Displacement of Structure}
본 발명은 구조물의 동적 변위 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 건설 구조물의 변위 측정을 위해 설치한 GPS 수신기의 3차원 위치 좌표를 정밀하게 추정하는 구조물의 동적 변위 측정장치 및 그 방법에 관한 것이다.
교량과 같은 구조물의 성능 변화를 평가하기 위한 기준으로서 구조물의 변위가 매우 적절한 기준으로 인정되고 있으며, 현재 구조물의 안전진단을 위한 여러 시험에서도 구조물의 변위가 가장 신뢰성 있는 기준 값으로 활용되고 있다. 여기서 말하는 구조물의 변위는 기초지반 또는 구조물 자체의 응력이 외력을 감당하지 못하거나 허용 응력보다 작은 외력이 지속적으로 구조물에 작용한 총체적 결과로 나타내는 구조물의 외형적인 반응을 말한다.
이와 같은 구조물의 변위 측정 방식은 여러 가지가 있지만 그 중 하나의 예로 GPS를 이용하는 방식을 들 수 있다. GPS를 이용하는 방식은 기준국(reference station)과 이동국(rover station)이 위성 신호를 동시 관측하여 얻은 좌표를 이용한다. 그렇기 때문에, GPS 방식을 이용하여 구조물 변위를 측정할 경우, GPS 관측 데이터 중 반송파(carrier-phases)와 의사거리(pseudo-ranges)에 이동국 사이의 공간적 상관성이 높은 오차를 최소화할 필요가 있고, 이에 수학적 차분(differencing)을 이동국과 GPS 위성에 대해 2회 적용하여 생성하는 이중 차분(double differenced) 데이터를 사용하게 된다.
그러나, 이동국의 위치 추정에 사용되는 GPS 관측 데이터는 전자파 신호의 일방향(one-way) 통신만 가능하다. 따라서 위성과 이동국 사이의 전체 파장수를 누적하여 취득할 수 없다. 이에 GPS 위성에서 송신된 신호와 이동국 내부에서 생성된 신호 차에 의해 만들어지는 맥놀이 반송파 위상(carrier beat phase)를 누적하여 취득하기 때문에 미지정수(inter ambiguity)를 포함하게 된다.
그런데 구조물 변위 측정에 있어서 센티미터(cm) 이상의 좌표를 추정하기 위해서는 상기 미지정수는 정확하게 결정되어야 한다. 이를 위해 이동 중(OTF : On-The-Fly) 미지정수 결정 절차를 사용한다. 이때 이동 중 미지정수 결정 절차는, 실수형 미지정수 추정(real-valued ambiguity estimation)’, '정수형 미지정수 검색(integer ambiguity search)', 그리고 '검색 미지정수에 대한 타당성 검정(validation test)'으로 이루어져 있다. 이 때문에, GPS 방식에 의한 좌표 추정 정확도는 정확한 미지정수 결정 여부와 직접 관련되어 있다고 봐야 한다. 그렇지만 구조물 변위 측정에서는 이동국이 부속 구조물에 인접하여 설치되거나 교량과 같이 빈번한 차량 통행으로 인하여 GPS 위성 신호를 정상적으로 수신하지 못하거나 다중경로(multi path)에 의한 관측 오차가 빈번하게 발생하고 있다. 이는 결국 미지정수 결정 성능이 저하되는 원인이 된다. 미지정수 결정 성능이 저하되면 GPS에 의한 동적(kinematic) 좌표 추정의 정확도가 수십 센티미터 수준으로 저하된다.
이러한 문제는 구조물 변위 측정을 위해 설치한 GPS 이동국 수신기의 네트워크 형성과 구조물 변위 특성을 3차원 좌표추정을 위한 수학적 모형(mathematical model)에 반영하여 해결할 수 있다.
그럼에도 불구하고 현재까지 GPS에 의한 구조물 변위 측정에서는 불량한 관측 환경과 이동국 배치의 기하적 특성 등에 대한 추가적인 고려 없이 차량, 선박, 항공기와 같이 이동 중인 물체의 위치를 센티미터 정확도로 계산하기 위해 기준국과 이동국이 형성하는 기선(baseline)에 대한 관측 데이터를 처리하여 이동국의 3차원 좌표를 추정하는 방법을 사용하고 있다.
이러한 방법은, 1대의 기준국에 대해 방사형으로 이동국의 개수만큼 기선을 형성하고 개별적으로 처리하는 방법(baseline processing)으로, 구조물 변위의 측정 성능을 최대화하는데 한계가 존재하였다.
한국공개특허공보 2010-0048675호 (2010. 05. 11. 공개)
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 복수 GPS 이동국의 3차원 좌표를 단일해로 동시에 추정하여 구조물의 변위 측정을 위한 데이터로 제공하는 구조물의 동적 변위 측정장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 위치가 미리 알려진 지점들에 설치되는 복수의 기준국; 좌표를 추정하고자 하는 지점들에 설치되는 복수의 이동국; 및 상기 기준국 및 이동국이 관측한 GPS 관측 데이터에 '수학적 차분(differencing)'과 '최소 제곱(lease-squares)' 또는 '칼만 필터(kalman filter)'의 추정 원리를 적용하여 상기 이동국들의 3차원 좌표를 단일 수학적 모형을 통해 동시 추정하는 데이터 처리 서버를 포함하는 구조물의 동적 변위 측정장치가 제공된다.
상기 데이터 처리 서버는, GPS 관측 데이터, 기학적 형상조건 및 기하적 구속조건을 이용하여 이동국의 3차원 좌표 추정에 사용하는 수학적 모형을 구성하는 모델링부; 모델링된 수학적 모형을 이용하여 실수해를 추정하는 실수해 추정부; 상기 실수해 추정부에 의해 추정된 실수해의 잔차(residual) 또는 혁신과정(innovation sequence)에 대해 통계 검증을 실시하여 과대 오차가 존재하는가를 판단하는 판단부; 상기 과대 오차가 미 존재하는 경우, 상기 실수해 추정부에 의해 실수로 추정한 GPS 반송파 미지정수 및 분산-공분산 행렬과, 정수 조건(interger valuse)을 이용하여 최적의 미지정수 후보군을 검색하는 검색부; 상기 미지정수 후보군을 최종 확정하기 위해 타당성 검증을 수행하는 타당성 검증부; 및 타당성 검증을 통해 최적의 미지정수 후보군이 확정되면 이동국들의 3차원 좌표를 계산하는 좌표 계산부를 포함하여 구성된다.
여기서 상기 기학적 형상조건은, 각기 다른 기준국에 대해 추정되는 이동국의 위치는 동일하고, 3개 이상의 이동국의 꼭지점을 연결하는 폐합 다각형의 3차원 좌표성분의 합은 '0(zero)'이라는 조건이다.
또한 상기 기학적 구속조건은, 상기 이동국들의 3차원 초기 좌표와 상기 이동국들 사이의 거리 변화의 범위이고, GPS 정적 기선해석(static baseline analysis)를 통해 결정하는 조건을 말한다.
상기 수학적 모형은, 계수 행렬과 우변벡터로 구성되는 함수 모형; 및 분산-공분산 행렬로 구성되는 통계 모형을 포함하여 이루어진다.
상기 타당성 검증부는, 상기 최적의 미지정수 후보군을 미지정수로 고정하여 추정한 이동국들 사이 거리의 잔차(residual)에 대해 통계 검증을 실시한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, GPS 관측 데이터, 기학적 형상조건 및 기하적 구속조건을 제공받는 데이터 처리 서버가, 이동국의 3차원 좌표 추정에 사용하는 수학적 모형을 모델링하는 모델링 단계; 상기 모델링된 수학적 모형을 이용하여 실수해를 추정하는 실수해 추정 단계; 상기 실수해 추정단계에 의해 실수로 추정한 GPS 반송파 미지정수와 분산-공분산 행렬을 이용하여 최적의 미지정수 후보군을 검색하는 검색 단계; 검색된 상기 미지정수 후보군을 확정하기 위해 타당성 검증을 수행하는 검증 단계; 및 상기 타당성 검증을 통해 확정된 최적의 미지정수 후보군을 이용하여 이동국의 3차원 좌표를 계산하는 계산단계를 포함하는 구조물의 동적 변위 측정방법이 제공된다.
상기 모델링 단계에서, 상기 이동국의 초기 위치와 그 불확실성을 구조물의 변위 발생 범위 이내로 제약하는 제1 조건과 상기 이동국 사이의 기하거리와 그 불확실성을 구조물의 상대적 변위 발생 범위 이내로 제약하는 제2 조건이 상기 수학적 모형에 적용된다.
이와 같은 본 발명에 따른 구조물의 동적 변위 측정장치 및 그 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 구조물의 변위 측정을 위해 각각 2대 이상 설치한 GPS 기준국 및 이동국을 네트워크로 구성한 상태에서, 기하적 형상조건과 기하적 제약조건을 적용하여 GPS 이중 차분 데이터를 수학적으로 모형화한 후, 최소 제곱법 또는 칼만 필터와 순간 미지정수 결정기법을 통해 매 관측시간에 대하여 변위 측정으로 위해 설치한 이동국의 종/횡/높이 방향에 대한 3차원 좌표를 단일해로 동시에 추정하고 있다.
따라서 GPS에 의한 구조물 동적 3차원 변위 측정을 위해 추정하는 이동국 좌표의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 구조물의 동적 변위 측정장치를 보인 구성도
도 2는 도 1에 도시한 데이터 처리 서버의 내부 구성도
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 구조물의 동적 변위를 측정하는 방법을 나타낸 흐름도
본 발명은 구조물의 변위 측정을 위해 제공되는 이동국들의 3차원 좌표를 센티미터(cm) 수준 이상으로 정확하게 추정함으로써 미지정수 결정 성능을 향상시켜 GPS에 의한 동적 좌표를 더 정확하게 처리하는 것을 기본적인 기술적 요지로 한다.
이하 본 발명에 의한 구조물의 동적 변위 측정장치 및 그 방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 구조물의 동적 변위 측정장치를 보인 구성도이다.
도 1을 보면 적어도 2대 이상의 기준국(기준국#1, 기준국#2) 및 다수의 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)이 구성된다. 여기서 기준국(기준국#1, 기준국#2)은 구조물의 변위를 GPS 방식에 의해 측정하기 위해 사전에 그 위치가 정확하게 알려진 지점에 설치된다. 그리고 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)은 좌표를 추정하고자 하는 지점에 설치된다. 실시 예에서 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)은 교량에 설치된 예를 보인다.
기준국(기준국#1, 기준국#2) 및 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)이 취득한 GPS 관측 데이터, 즉 반송파(carrier-phases)와 의사거리(pseudo-ranges)를 유선 또는 무선으로 후술하는 데이터 처리 서버로 전송하는 데이터 링크(10)(12)가 구성된다. 실시 예에서 데이터 링크(10)(12)는 무선 방식이 적용된다. 그러나, 상기 데이터 링크(10)(12)는 반드시 제공되지 않아도 된다. 즉 상기 GPS 관측 데이터를 매뉴얼 방식으로 다운로드 받아 처리할 경우에는 데이터 링크(10)(12)는 구성되지 않을 수도 있다.
데이터 처리 서버(100)는, 상기 GPS 관측 데이터에 '수학적 차분(differencing)', '최소 제곱(least-squares)' 또는 '칼만필터(kalman filter)' 추정 원리를 적용하여 구조물의 변위 해석에 필요한 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 3차원 위치(좌표)를 추정하는 역할을 한다. 실시 예에 따르면 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 위치는 센티미터(cm) 수준 이상으로 동시에 추정할 수 있다.
상술한 바와 같이 데이터 처리 서버(100)가 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 3차원 위치(좌표)를 추정할 경우 GPS 관측 데이터에 '수학적 차분(differencing)', '최소 제곱(least-squares)' 또는 '칼만필터(kalman filter)' 추정 원리를 적용하는데, 이는 다시 말해 네트워크의 기하적 형상조건과 기하적 구속조건을 적용하여 3차원 위치를 추정하는 것을 의미한다.
여기서 기하적 형상조건은 각각 다른 기준국에 대해 추정되는 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 위치는 동일하며, 3개 이상의 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 꼭지점이 연결되어 구성되는 폐합 다각형의 3차원 좌표 성분의 합(폐합차 : mis-closure)은 '0'이라는 조건이다. 또한 기하적 구속조건은 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 3차원 근사 좌표와 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n) 사이의 거리 변화의 범위로 구조물 변위 발생 특성에 따라 지정할 수 있는 것을 말한다. 이때, 기하적 구속조건에 사용되는 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 3차원 근사 좌표와 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)들 사이의 거리는 GPS 정적 기선 해석(static baseline analysis)를 통해 결정하게 된다.
데이터 처리 서버(100)의 구성은 도 2를 참조하기로 한다. 도 2는 도 1에 도시한 데이터 처리 서버의 내부 구성도이다.
데이터 처리 서버(100)에는 모델링부(102)가 구성된다. 모델링부(102)는 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 3차원 좌표 추정에 사용하는 수학적 모형을 모델링하는 역할을 한다.
모델링된 수학적 모형을 이용하여 실수해를 추정하는 실수해 추정부(104)가 구성된다. 실수해 추정부(104)는 상기 GPS 관측 데이터에 포함된 미지정수에 대해 정수 조건을 적용하지 않고 추정된 값을 말한다.
실수해 추정부(104)에 의해 추정된 해의 잔차(residual) 또는 혁신 과정(innovation sequence)에 대해 통계 검정을 실시하여 과대 오차가 존재하는가를 판단하는 판단부(106)가 구성된다. 판단부(106)의 판단 결과 과대 오차가 존재하면 이를 제거하는 과정이 수행되도록 한다.
판단부(106)의 판단 결과 과대 오차가 미존재하는 경우, 실수해 추정부(104)에 의해 실수로 추정한 GPS 반송파 미지정수와 이들의 분산-공분산 행렬을 이용하여 정수(integer values) 조건을 적용하여 최적의 미지정수 후보군을 검색하는 검색부(108)가 구성된다.
미지정수 후보군을 최종 확정하기 위해 검증을 수행하는 타당성 검증부(110)가 구성된다.
타당성 검증을 통해 최적의 미지정수 후보군이 확정되면 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 3차원 좌표를 계산하는 좌표 계산부(112)가 구성된다. 3차원 좌표는 구조물의 동적 변위를 측정하는데 사용된다.
다시 도 1을 보면 데이터 처리 서버에 의해 처리된 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 3차원 좌표를 이용하여 구조물의 변위 해석을 수행하는 구조물 변위 해석부(200)가 더 제공되고 있다. 실질적으로 구조물 변위 해석부(200)는 데이터 처리 서버(100)가 측정한 3차원 좌표를 표시하여 사용자가 확인할 수 있도록 한다.
이와 같은 데이터 처리 서버의 각 구성들에 대해서는 이어지는 구조물의 동적 변위를 측정하는 방법을 설명하면서 더 구체적으로 설명하도록 한다. 이는 도 3을 함께 참조한다.
먼저, 기준국(기준국#1, 기준국#2) 및 이동국들(이동국#1 ~ 이동국#n)은 GPS 위성으로부터 GPS 관측 데이터로서 의사거리와 반송파를 수신한다.
그리고 GPS 관측 데이터는 데이터 링크를 통해 데이터 처리 서버(100)에 전달되는데, 이때 GPS 관측 데이터는 수학적 차분 방식이 적용된다. 수학적 차분이 적용된 GPS 관측 데이터를 이하에서는 'GPS 이중 차분 데이터'라고 칭하기로 한다.
이처럼 데이터 처리 서버(100)가 GPS 이중 차분 데이터를 전달받으면, 모델링부(102)는 상술한 바 있는 기하적 형상조건과 기하적 구속조건을 적용한다(s120).
그 결과 모델링부(102)는 3차원 좌표를 추정하는데 필요한 수학적 모형을 생성한다(s122). 이때 수학적 모형은 '최소 제곱(least-squares)' 또는 '칼만 필터(kalman filter)'를 이용하게 된다.
수학적 모형은 함수 모형(functional model)과 통계 모형(stochastic model)로 이루어진다. 함수 모형은 GPS 이중 차분 데이터, 기하적 형상조건, 기하적 구속조건, 이동국들(이동국#1 ~ 이동국#n)의 3차원 좌표 추정 값 사이의 수학적 관계를 나타내는 모형이다. 통계 모형은 GPS 이중 차분 데이터, 기하적 형상조건, 기하적 구속조건, 이동국들(이동국#1 ~ 이동국#n)의 3차원 좌표 추정 값 사이의 불확실성을 표현하는 모형이다. 다시 말해 상기 함수 모형은 상기 GPS 이중 차분 데이터, 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n) 사이의 기하거리, 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 근사좌표와 추정해야 하는 이동국 좌표(unknown parameters) 사이의 함수적 관계를 선형화하여 계수행렬과 우변 벡터로 구성하는 것이고, 상기 통계 모형은 GPS 이중 차분 데이터, 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n) 사이의 기하거리, 이동국의 근사 좌표와 불확실성을 분산(variance)으로 하고 수학적 차분에 의한 상관성을 공분산(covariance)으로 하는 분산-공분산 행렬로 구성하는 것이다. 여기서, 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 근사 좌표와 기하 거리에 대한 분산은 대상 구조물에 대한 시험 관측 또는 유한 요소 해석 결과를 반영하여 결정한다.
이와 같이 수학적 모형이 생성되면, 실수해 추정부(104)에 의해 실수해 추정(real valued ambiguity solution)이 수행된다(s124). 여기서 상기 실수해 추정은 GPS 관측 데이터에 포함된 미지정수에 대한 정수 조건을 적용하지 않고 추정되는 것을 말한다.
판단부(106)는 상기 실수해 추정결과에 따라 과대 오차가 존재하는지를 판단한다(s126). 즉 실수 해의 추정은 과대 오차를 검출하고 규명하기 위한 것이라 할 수 있다. 이러한 과대 오차는 실수 해의 잔차(residual) 또는 혁신 과정(innovation sequence)에 대해 수행되는 통계 검정을 이용하여 과대 오차가 존재하는지를 알 수 있다.
상기 판단 결과 과대 오차가 존재할 경우 상기 GPS 관측 데이터를 제외한 후 상기 122 단계로 복귀하여 상기 수학적 모형을 수정하는 과정을 반복 수행한다. 이러한 과정은 과대 오차가 미 존재할 때까지 이루어진다.
상기 판단 결과 또는 상기 수학적 모형의 수정 과정을 통해 상기 과대 오차가 미 존재하면, 검색부(108)는 미지 정수 후보군을 검색한다(s128). 미지 정수 후보군은 실수(real value)로 추정한 GPS 반송파 미지정수와 이들의 분산-공분산 행렬을 이용하여 정수(integer values) 조건을 적용하여 최적(the best candidates)의 미지정수 후보군을 검색하는 과정을 말한다.
상기 미지정수 후보군이 검색되면 이를 최종 확정하기 위해 타당성 검증부(110)가 기하적 구조조건에 의한 타당성 검증(validation test)을 수행한다(s130). 이때 타당성 검증부(110)에 의한 타당성 검증은 위성 기하강도(geometric strength)가 낮고 다중경로(multipath)와 같이 모형화되지 않은 정오차가 잔존하는 경우 빈번하게 발생하는 통계검정의 제1 종 오류(type Ⅰerror) 문제를 해결하기 위한 것으로, 최적의 미지정수 후보군을 미지정수로 고정하여 추정한 이동국 사이 거리의 잔차에 대해 통계 검정을 실시하는 것을 말한다.
이러한 타당성 검증에 따라 최적의 미지정수 후보군을 확정한다(s132).
그리고 최적의 미지정수 후보군이 확정되면, 미지정수 고정해를 계산한다(s134). 즉 매 관측시간에 대하여 변위 측정을 위해 설치한 상기 이동국들의 3차원 좌표, 즉 종 방향, 횡 방향, 높이 방향을 동시에 추정하게 된다.
이를 통해 건설 구조물의 동적 변위 측정을 위해 추정하는 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 좌표를 더 정확하게 추정할 수 있는 것이다.
이와 같이 본 실시 예는 복수의 기준국(기준국#1, 기준국#2) 및 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)이 GPS 관측 데이터에 최소 제곱 또는 칼만 필터 원리를 적용하여 이동국(이동국#1 ~ 이동국#n)의 좌표를 단일해로 하여 동시에 센티미터 수준 이상의 정확도로 추정할 수 있도록 구성됨을 기술적 요지로 제공한다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 데이터 처리 서버 102 : 모델링부
104 : 실수해 추정부 106 : 판단부
108 : 검색부 110 : 타당성 검증부
112 : 좌표 계산부

Claims (7)

  1. 위치가 미리 알려진 지점들에 설치되는 복수의 기준국;
    좌표를 추정하고자 하는 지점들에 설치되는 복수의 이동국; 및
    상기 기준국 및 이동국이 관측한 GPS 관측 데이터에 '수학적 차분(differencing)'과 '최소 제곱(lease-squares)' 또는 '칼만 필터(kalman filter)'의 추정 원리를 적용하여 상기 이동국들의 3차원 좌표를 단일 수학적 모형을 통해 동시 추정하는 데이터 처리 서버를 포함하는 구조물의 동적 변위 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 처리 서버는,
    GPS 관측 데이터, 기학적 형상조건 및 기하적 구속조건을 이용하여 이동국의 3차원 좌표 추정에 사용하는 수학적 모형을 구성하는 모델링부;
    모델링된 수학적 모형을 이용하여 실수해를 추정하는 실수해 추정부;
    상기 실수해 추정부에 의해 추정된 실수해의 잔차(residual) 또는 혁신과정(innovation sequence)에 대해 통계 검증을 실시하여 과대 오차가 존재하는가를 판단하는 판단부;
    상기 과대 오차가 미 존재하는 경우, 상기 실수해 추정부에 의해 실수로 추정한 GPS 반송파 미지정수 및 분산-공분산 행렬과, 정수 조건(interger valuse)을 이용하여 최적의 미지정수 후보군을 검색하는 검색부;
    상기 미지정수 후보군을 최종 확정하기 위해 타당성 검증을 수행하는 타당성 검증부; 및
    타당성 검증을 통해 최적의 미지정수 후보군이 확정되면 이동국들의 3차원 좌표를 계산하는 좌표 계산부를 포함하는 구조물의 동적 변위 측정장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기학적 형상조건은,
    각기 다른 기준국에 대해 추정되는 이동국의 위치는 동일하고,
    3개 이상의 이동국의 꼭지점을 연결하는 폐합 다각형의 3차원 좌표성분의 합은 '0(zero)'이라는 조건인 구조물의 동적 변위 측정장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 기학적 구속조건은,
    상기 이동국들의 3차원 초기 좌표와 상기 이동국들 사이의 거리 변화의 범위이고,
    GPS 정적 기선해석(static baseline analysis)를 통해 결정하는 구조물의 동적 변위 측정장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 타당성 검증부는,
    상기 최적의 미지정수 후보군을 미지정수로 고정하여 추정한 이동국들 사이 거리의 잔차(residual)에 대해 통계 검증을 실시하는 구조물의 동적 변위 측정장치.
  6. GPS 관측 데이터, 기학적 형상조건 및 기하적 구속조건을 제공받는 데이터 처리 서버가, 이동국의 3차원 좌표 추정에 사용하는 수학적 모형을 모델링하는 모델링 단계;
    상기 모델링된 수학적 모형을 이용하여 실수해를 추정하는 실수해 추정 단계;
    상기 실수해 추정단계에 의해 실수로 추정한 GPS 반송파 미지정수와 분산-공분산 행렬을 이용하여 최적의 미지정수 후보군을 검색하는 검색 단계;
    검색된 상기 미지정수 후보군을 확정하기 위해 타당성 검증을 수행하는 검증 단계; 및
    상기 타당성 검증을 통해 확정된 최적의 미지정수 후보군을 이용하여 이동국의 3차원 좌표를 계산하는 계산단계를 포함하는 구조물의 동적 변위 측정방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 모델링 단계에서,
    상기 이동국의 초기 위치와 그 불확실성을 구조물의 변위 발생 범위 이내로 제약하는 제1 조건과 상기 이동국 사이의 기하거리와 그 불확실성을 구조물의 상대적 변위 발생 범위 이내로 제약하는 제2 조건이 상기 수학적 모형에 적용되는 구조물의 동적 변위 측정방법.
KR20140025663A 2014-03-04 2014-03-04 구조물의 동적 변위 측정장치 및 그 방법 KR101488134B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20140025663A KR101488134B1 (ko) 2014-03-04 2014-03-04 구조물의 동적 변위 측정장치 및 그 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20140025663A KR101488134B1 (ko) 2014-03-04 2014-03-04 구조물의 동적 변위 측정장치 및 그 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101488134B1 true KR101488134B1 (ko) 2015-02-04

Family

ID=52589970

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20140025663A KR101488134B1 (ko) 2014-03-04 2014-03-04 구조물의 동적 변위 측정장치 및 그 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101488134B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101700044B1 (ko) * 2015-10-02 2017-01-25 창원대학교 산학협력단 복수의 gps 수신기 및 음향 측심기를 이용한 3차원 수중 지형정보 측량 시스템 및 방법
KR20220127619A (ko) * 2021-03-11 2022-09-20 한국수력원자력 주식회사 사면 동적 안정성 평가방법
CN117232380A (zh) * 2023-11-13 2023-12-15 武汉大学 一种带状工程变形监测方法、装置、设备及可读存储介质

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200303736Y1 (ko) 2002-11-04 2003-02-11 (주)하이컴 Gps를 이용한 대형 구조물의 변형 측정 시스템

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200303736Y1 (ko) 2002-11-04 2003-02-11 (주)하이컴 Gps를 이용한 대형 구조물의 변형 측정 시스템

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
박재익 외 2인, '실시간 다중 기준국 GNSS/GPS 반송파 미지정수 결정 기술 연구', 한국천문학회, 2012. *
신동윤 외 1인, 'RTK GPS에 의한 대형 교량 구조물의 거동 분석', 한국지적학회지, 제26권, 제2호, 2010, pp.45-54. *
이흥규, '구조물 거동 모니터링을 위한 단일주파수 GPS 반송파 미지정수 결정의 성능향상', 한국측량학회, 2006, pp.39-45. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101700044B1 (ko) * 2015-10-02 2017-01-25 창원대학교 산학협력단 복수의 gps 수신기 및 음향 측심기를 이용한 3차원 수중 지형정보 측량 시스템 및 방법
KR20220127619A (ko) * 2021-03-11 2022-09-20 한국수력원자력 주식회사 사면 동적 안정성 평가방법
KR102545390B1 (ko) 2021-03-11 2023-06-20 한국수력원자력 주식회사 사면 동적 안정성 평가방법
CN117232380A (zh) * 2023-11-13 2023-12-15 武汉大学 一种带状工程变形监测方法、装置、设备及可读存储介质
CN117232380B (zh) * 2023-11-13 2024-01-30 武汉大学 一种带状工程变形监测方法、装置、设备及可读存储介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109932735B (zh) 北斗短基线单频单历元解算的定位方法
Hsu et al. Multiple faulty GNSS measurement exclusion based on consistency check in urban canyons
JP5421903B2 (ja) 部分探索搬送波位相整数アンビギュイティ決定
US10234292B2 (en) Positioning apparatus and global navigation satellite system, method of detecting satellite signals
EP3356856B1 (en) Monitor based ambiguity verification for enhanced guidance quality
JP4116792B2 (ja) キャリア位相相対測位装置
KR102034527B1 (ko) 와이-파이 위치와 센서정보 결합을 통한 단말 위치 필터링 시스템 및 그 방법
CN108802770B (zh) 一种ins增强gnss的高精度动态定位检定基准
Castaldo et al. P‐RANSAC: An Integrity Monitoring Approach for GNSS Signal Degraded Scenario
Pinana-Diaz et al. GPS multipath detection and exclusion with elevation-enhanced maps
JP2016539325A (ja) アンテナ基線制約を使用する異常検出
EP3602131A1 (en) Positioning system, method and non-transitory computer readable storage medium for global navigational satellite system
US20170276794A1 (en) Method for Evaluating a Satellite Signal in a Global Navigation Satellite System with Respect to a Multipath Error, Receiver for a Global Navigation Satellite System and Motor Vehicle
CN110687559B (zh) 适用于机载的gnss无缝高精度定位和完好性评估方法
JP2010071686A (ja) 測位装置、コンピュータプログラム及び測位方法
KR101488134B1 (ko) 구조물의 동적 변위 측정장치 및 그 방법
KR20180000522A (ko) 이동체의 위치 및 자세 결정 장치 및 방법
CN112146557A (zh) 一种基于gnss的实时桥梁变形监测系统及方法
EP2092362B1 (en) Phase based measurement corrections
KR20130036145A (ko) 이동 정보 결정 장치, 수신기 및 그에 의한 방법
CN110346816B (zh) 短到长基线场景下电离层建模约束的实时差分定位方法
US11112508B2 (en) Positioning method and positioning terminal
CN111025354A (zh) 基于单差分电离层加权模型的中长基线rtk定位方法
JP2023508119A (ja) Ｇｎｓｓアンビギュイティ決定のためのシステムおよび方法
US11047992B2 (en) Positioning method and positioning terminal

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180212

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190104

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200103

Year of fee payment: 6