KR101596937B1 - 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템에 있어서, 해중 상태를 모니터링하는 관측 센서와 연동되어 상기 관측센서로부터 실시간으로 제공되는 해중 상태 모니터링 데이터를 관련 서버로 무선 전송하고, GPS 수신기를 통해 현재 위치에 해당되는 GPS 좌표를 획득하여 상기 관려 서버에 전송되도록 처리하는 부이와, 상기 부이와 계류선을 통하여 연결되어 통신을 수행하고, 해당 지점에 대한 절대좌표를 저장하고, 저장된 상기 절대좌표 기반 하에 상기 계류선의 수직 및 수평각을 측정하여 측정 결과에 따라 해당 부이의 위치 추정 알고리즘을 선별적으로 적용하여 부이의 위치를 산출하는 앵커를 포함함을 특징으로 한다.

Description

앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템 및 그 방법{OCEAN OBSERVING BOUY SYSTEM AND METHOD USING ANCHOR}

본 발명은 무선통신을 이용한 해양 관측 부이 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 GPS 에러 발생 시 부이의 GPS 측정 에러를 보정하거나 GPS가 고장나거나 설치되어 있지 않은 부이의 위치 추정을 위한 표준 좌표를 가진 앵커를 이용한 부이 위치 추정에 관한 것이다.

일반적으로 계류형 해양 관측 부이는 GPS(Global Positioning System)이 장착되어 부이의 위치를 알아낼 수 있다.

그러나, GPS의 위치 계산오차 원인인 위성궤도 오차, 위성시계 오차, 전리층 시간지연, 대류층 시간지연, 그리고 C/A 코드 이용 등에 대한 오차 보정이 필요하다. 해상풍력 단지의 경우 해상 풍력발전기를 GPS 보정을 위한 고정좌표 표준으로 사용할 수 있으나 부이 단독을 해상에 설치했을 경우 부이가 해상의 조건에 따라 앵커선의 길이 조건에 따라 이동하게 된다.

이러한 부이의 정확한 위치는 GPS에만 의존하여 추정하게 된다. 또한, 앵커에 설치된 GPS가 고장이 났을 경우 부이의 위치를 추정하는 것은 불가능한 문제가 발생한다.

대한민국 공개특허 공보 제10-2010-0095188호(2010. 08. 30)

따라서 본 발명은 해양 관측 무선통신을 이용한 해양 관측 부이 시스템에 있어서 앵커를 설치할 경우 앵커의 표준화된 절대 좌표를 이용하여 부이의 GPS 측정에러를 보정하거나 GPS가 고장나거나 설치되어 있지 않은 부이의 위치 추정이 가능한 기술을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 견지에 따르면, 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템에 있어서, 해중 상태를 모니터링하는 관측 센서와 연동되어 상기 관측센서로부터 실시간으로 제공되는 해중 상태 모니터링 데이터를 관련 서버로 무선 전송하고, GPS 수신기를 통해 현재 위치에 해당되는 GPS 좌표를 획득하여 상기 관려 서버에 전송되도록 처리하는 부이와, 상기 부이와 계류선을 통하여 연결되어 무선통신을 수행하고, 해당 지점에 대한 절대좌표를 저장하고, 저장된 상기 절대좌표(x, y, z) 기반 하에 상기 계류선의 수직 및 수평각을 측정하여 측정 결과에 따라 해당 부이의 위치 추정 알고리즘을 선별적으로 적용하여 부이의 위치를 산출하는 앵커를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 방법에 있어서, 절대 위치 저장부를 통해 해당 지점에서의 절대좌표를 측정하여 저장하는 과정과, 수직 및 수평 센서부를 통해 부이와 연결된 계류선의 수직 및 수평 각을 측정하는 과정과, 상기 수직 및 수평 센서부 및 절대좌표 위치 저장부로부터 출력된 데이터를 기반으로 상기 부이와 연결된 계류선의 직선 여부를 체크하여 직선이 아닌 경우 굴곡 측정을 수행하는 과정과, 상기 부이로부터 수신된 GPS 데이터가 기설정된 영역을 초과했는 지 여부를 체크하여 기설정된 영역을 초과한 경우 상기 절대좌표(x, y, z) 기반 하에 수직 및 수평 각을 이용하여 부이 위치 계산을 수행하는 과정을포함함을 특징으로 한다.

본 발명은 부이의 위치 산출을 위한 GPS 관련 의존도를 감소시키고, GPS 에러 발생 시 부이의 GPS 측정 에러를 보정하거나 GPS가 고장 나거나 설치되어 있지 않은 부이의 위치 추정이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템에 있어서 앵커의 상세 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템에 있어서 직선인 경우의 부이의 위치 계산 시 좌표 표현.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템에 있어서 곡선인 경우의 부이의 위치 계산 시 좌표 표현.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 방법에 관한 전체 흐름도.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

본 발명은 무선통신을 이용한 해양 관측 부이 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해당 지점의 절대좌표를 갖고 있는 앵커(anchor)를 설치하고, 앵커에서 측정된 수평 및 수직 각을 이용하여 부이의 위치를 계산함에 있어서, 상기 부이와 앵커를 연결하는 계류선의 직선 여부 및 상기 부이로부터 수신된 GPS 좌표의 기설정된 초과 여부에 따라 상기 절대좌표를 근거로 측정된 수직 및 수평 각을 이용한 부이 위치 추정 알고리즘을 선별적으로 적용함으로써 부이의 위치 산출을 위한 GPS 관련 의존도를 감소시키고, GPS 에러 발생 시 부이의 GPS 측정 에러를 보정하거나 GPS가 고장 나거나 설치되어 있지 않은 부이의 위치 추정이 가능한 기술을 제공하고자 한다.

그리고, 이하 본 발명을 설명함에 있어서 언급되는 통신은 수중에서는 무선 통신이 불가능하고 음파 통신이나 계류선을 이용한 유선통신이 수행 가능함에 따라 무선인 경우 음파통신이고, 유선인 경우 계류선에 통신 라인을 삽입하여 이를 통해 통신을 수행하는 통신임을 미리 밝혀두는 바이다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템에 관해 도 1을 참조하여 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템의 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명이 적용된 시스템(100)은 부이(110), 계류선(111) 및 앵커(112)를 포함한다.

상기 부이(110)은 해양을 운행하던 선박이 사고에 의하여 좌초나 충돌 등에 의하여 침몰될 경우, 상기 선박의 침몰 위치를 표시하기 위하여 상기 해양 선박으로부터 해상으로 부상하도록 설치된다.

본 발명에 적용된 상기 부이(110)는 침몰선박을 인양하기 위한 와이어로프(Wire Rope)와 EPIRB(Emergency Position-Indicating Radio Beacon) 송신기와 항해기록저장함(Black Box)이 내장되어 있으며, 선박에 설치된 보관함에 보관하고 있다가 선박의 침몰과 동시에 부력에 의하여 부이가 상승함으로써 침몰 위치를 파악한다.

또한, 상기 부이(110)는 해중 상태를 모니터링하는 관측 센서와 연동되어 상기 관측 센서로부터 실시간으로 제공되는 해중 상태 모니터링 데이터를 관련 서버(예컨대, 선박 관제 센터)로 무선 전송한다.

여기서, 상기 부이(110)는 선박이 침몰되는 순간에 GPS(Global Positioning System) 수신기를 내장하여 상기 GPS 관련 신호를 선박 관제 센터에 송신함으로써 침몰선박의 위치를 관계기관에서 인지할 수 있다.

그리고, 상기 부이(110)는 GPS 수신기를 통해 현재 위치에 해당되는 GPS 좌표를 획득하여 상기 관련 서버 혹은 상기 앵커(112)로 전송되도록 처리한다.

상기 앵커(112)는 부이(110)와 상기 계류선(111)을 통하여 연결되어 통신(예컨대, 무선인 경우 음파통신이고, 유선인 경우 계류선에 통신 라인을 삽입하여 이를 통해 통신을 수행하는 통신)을 수행하고, 해당 지점에 대한 절대좌표를 저장하고, 저장된 상기 절대좌표(x, y, z) 기반 하에 상기 계류선(111)의 수직 및 수평각을 측정하여 측정 결과에 따라 해당 부이(110)의 위치 추정 알고리즘을 선별적으로 적용하여 부이의 위치를 산출한다.

더욱 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템에 있어서, 앵커의 상세 블록도를 도시한 것으로, 본 발명이 적용된 앵커(200)은 부이와 연결된 계류선의 수직 및 수평각을 측정하는 수직 및 수평 센서부(220)와,

상기 부이와의 송수신되는 신호를 이용하여, 상기 부이와의 상대적인 거리정보를 산출하는 통신부(212)와, 특정 지점에 대한 절대좌표를 측정 및 저장하고 절대좌표 정보 신호를 송신하는 절대좌표 위치 저장부(210)와, 현재 좌표를 상기 절대좌표와 일치시키는 좌표 보정부(222)와, 상기 수직 및 수평 센서부(220) 및 절대좌표 위치 저장부(210)로부터 출력된 데이터를 기반으로 상기 부이와 연결된 계류선의 직선 여부를 판단하고 판단 결과에 따라 서로 상이한 부이의 위치 추정 알고리즘을 선별적으로 적용하여 부이의 위치를 계산하는 제어부(214)를 포함한다.

이때, 상기 부이와 기지국 등과의 통신은 무선(위성) 통신도 가능하다.

상기 제어부(214)는 상기 부이로부터 수신된 GPS 데이터가 기설정된 영역을 초과했는지 여부를 판단하여 초과한 경우 상기 위치 추정 알고리즘을 통해 부이의 위치를 계산하고, 초과하지 않은 경우

를 계산하여 칼만(kalman) 필터링으로 부이의 위치를 추정한다.

여기서, 도 3을 참조하면, 절대좌표를 가진 앵커와 앵커에서 측정된 수평 및 수직 각을 이용하여, 도 3의 좌표계 표현과 같이 부이의 위치를 계산한다. 이때, 상기 좌표계는 수직 및 수평 각 에러 및 계류선이 직선이라는 가정에서 도 3과 같이

를 계산되었다.

다시 말해, 절대 좌표를 가진 앵커에서 수직 및 수평 각을 측정하고(수직과 수평 각은 자이로 센서, 엔코더(encoder) 등 다양한 센서로 측정이 가능함), 앵커와 부이 간의 통신으로 측정된 각을 부이로 전송한다.

도 3에서와 같이

를 계산하고, 만약 GPS가 고장 났을 경우

와 같이 계산하면 GPS 측정 에러가 없는 경우와 같은 부이 위치를 추정할 수 있다.

이때, 해양 환경(조류, 파도, 줄의 장력 등)에 의해 앵커선이 직선이 아닌 곡선인 경우에는 상기 제어부(214)는 해당 계류선의 굴곡 측정(광섬유, 휨센서 등을 이용)을 통해 최적화 기법을 이용하여 직선 추정으로 수평 및 수직 각 보정을 수행한다(굴곡에서 직선 추정은 일반적인 방법임).

이후, 도 4에서와 같이

를 계산하고, 보정된 길이, 각도

를 이용하여

부이의 위치를 계산한다.

상술한 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템의 동작을 환언하면, 정확한 부이의 위치는

이고, 일반적으로 GPS 측정 데이터

는 부이 위치추정 오차를 가지고 있다.

부이와 앵커가 연결된 계류선이 해양 환경에 의해 곡선으로 직선계산 에러로 부이 위치

계산 에러를 가지고 있다.

이때, GPS 위치측정 및 앵커를 이용한 위치 계산 오차는 가우시안(Gaussian)분포라 가정하고, 이를 근거로 부이는 수심과 계류선에 따라 위치 이동의 제한 영역이 결정된다. 두 데이터를 칼만(kalman) 필터링으로 각 데이터의 S/N 비를 높이고, GPS 데이터가 제한 영역을 벗어나면 앵커를 이용한 계산 데이터 값만 사용하고, GPS 데이터가 영역 내의 값으로 측정되면

를 계산하여 칼만 필터링으로 위치를 추정한다(짧은 시간 단위로 위치를 추정하면 일정 시간 동안 위치의 변화가 없다고 가정할 수 있으므로 최종 위치 추정 데이터들을 평균하면 가우시안 노이즈를 줄일 수 있다.)

이상 본 발명의 일 실시 예에 따른 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템에 대해 살펴보았다.

이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 방법에 관해 살펴보기로 한다.

도 5를 참조하면, 먼저 510 과정에서는 부이와 계류선을 통해 연결되어 해당 지점의 절대좌표를 갖고 있는 앵커(anchor)에서 절대위치 저장부를 통해 해당 지점에서의 절대좌표를 측정하여 절대좌표를 저장한다.

512 과정에서는 수직 및 수평 센서부를 통해 수평 및 수직 각을 측정한다.

514 과정에서는 상기 수직 및 수평 센서부 및 절대좌표 위치 저장부로부터 출력된 데이터를 기반으로 상기 부이와 연결된 계류선의 직선 여부를 체크하고, 상기 체크 결과 직선이 아닌 경우 518 과정으로 이동하여 굴곡 측정을 수행하고, 520 과정에서 수평 및 수직 각 보정을 수행한 후 516 과정으로 이동한다.

즉, 상기 부이와 연결된 계류선이 곡선인 경우 해당 계류선의 굴곡 측정을 통해 최적화 기법을 이용하여 직선 추정으로 수평 및 수직 각 보정을 수행한다.

한편, 514 과정에서 직선 여부 체크 결과, 직선인 경우 516 과정으로 이동하여 상기 부이로부터 수신된 GPS 데이터가 기설정된 영역을 초과했는 지 여부를 체크하여 기설정된 영역을 초과한 경우 524 과정으로 이동하여 상기 절대좌표 기반 하에 수직 및 수평 각을 이용하여 부이 위치 계산을 수행한다.

만약, 기설정된 영역을 초과하지 않은 경우 522 과정으로 이동하여

를 계산하여 칼만 필터링으로 위치를 추정한다(짧은 시간 단위로 위치를 추정하면 일정 시간 동안 위치의 변화가 없다고 가정할 수 있으므로 최종 위치 추정 데이터들을 평균하면 가우시안 노이즈를 줄일 수 있다.)

상기와 같이 본 발명에 따른 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 방법 및 시스템에 관한 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

210: 절대좌표 위치 저장부 212: 통신부
214: 제어부 216: 부이 위치 계산부
218: 보정부 220: 수직 및 수평 센서부
222: 좌표 보정부

Claims (10)

1. 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템에 있어서,
   해중 상태를 모니터링하는 관측 센서와 연동되어 상기 관측센서로부터 실시간으로 제공되는 해중 상태 모니터링 데이터를 관련 서버로 무선 전송하고, GPS 수신기를 통해 현재 위치에 해당되는 GPS 좌표를 획득하여 상기 관련 서버에 전송되도록 처리하는 부이와,
   상기 부이와 계류선을 통하여 연결되어 통신을 수행하고, 해당 지점에 대한 절대좌표를 저장하고, 저장된 상기 절대좌표(x, y, z) 기반 하에 상기 계류선의 수직 및 수평각을 측정하여 측정 결과에 대응하는 부이 위치 추정 알고리즘을 해당 부이별 선별적으로 적용하여 부이의 위치를 산출하는 앵커를 포함하고,
   상기 앵커는,
   상기 부이로부터 수신된 GPS 데이터가 기설정된 영역을 초과했는지 여부를 판단하여 초과한 경우 상기 위치 추정 알고리즘을 통해 부이의 위치를 계산하고, 초과하지 않은 경우 칼만(kalman) 필터링으로 부이의 위치를 추정하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 앵커는,
   상기 부이와 연결된 계류선의 수직 및 수평각을 측정하는 수직 및 수평 센서부와,
   상기 부이와의 송수신되는 신호를 이용하여, 상기 부이와의 상대적인 거리정보를 산출하는 통신부와,
   특정 지점에 대한 절대좌표를 측정 및 저장하고 절대좌표 정보 신호를 송신하는 절대좌표 위치 저장부와,
   현재 좌표를 상기 절대좌표와 일치시키는 좌표 보정부와,
   상기 수직 및 수평 센서부 및 절대좌표 위치 저장부로부터 출력된 데이터를 기반으로 상기 부이와 연결된 계류선의 직선 여부를 판단하고 판단 결과에 따라 서로 상이한 부이의 위치 추정 알고리즘을 선별적으로 적용하여 부이의 위치를 계산하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 직선 여부 판단 결과, 곡선인 경우 해당 계류선의 굴곡 측정 기반 최적화 기법을 이용하여 직선 추정으로 수평 및 수직 각 보정을 수행함을 특징으로 하는 앵커를 이용한 해양 관측 부이 제공 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
   보정된 길이, 각도를 이용하여 계산함을 특징으로 하는 앵커를 이용한 해양 관측 부이 제공 시스템.
6. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 직선 여부 판단 결과, 직선일 경우 상기 수직 및 수평 센서부를 통해 측정된 각을 상기 통신부를 통해 부이로 전송하고,

   

   계산함을 특징으로 하는 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템.
7. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 부이로부터 수신된 GPS 데이터를 통해 GPS 수신기의 에러 여부를 판단하여 에러가 발생된 경우, 계산을 수행하여 부이 위치를 추정함을 특징으로 하는 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 시스템.
8. 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 방법에 있어서,
   절대 위치 저장부를 통해 해당 지점에서의 절대좌표를 측정하여 저장하는 과정과,
   수직 및 수평 센서부를 통해 부이와 연결된 계류선의 수직 및 수평 각을 측정하는 과정과,
   상기 수직 및 수평 센서부 및 절대좌표 위치 저장부로부터 출력된 데이터를 기반으로 상기 부이와 연결된 계류선의 직선 여부를 체크하여 직선이 아닌 경우 굴곡 측정을 수행하는 과정과,
   상기 부이로부터 수신된 GPS 데이터가 기설정된 영역을 초과했는 지 여부를 체크하여 기설정된 영역을 초과한 경우 상기 절대좌표 기반 하에 수직 및 수평 각을 이용하여 부이 위치 계산을 수행하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 GPS 데이터가 기설정된 영역을 초과하지 않은 경우, 칼만(kalman) 필터링으로 부이의 위치를 추정하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 방법.
10. 제8항에 있어서,
    상기 직선 여부 판단 결과, 곡선인 경우 해당 계류선의 굴곡 측정 기반 최적화 기법을 이용하여 직선 추정으로 수평 및 수직 각 보정을 수행하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 앵커를 이용한 해양 관측 부이 위치 제공 방법.

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