KR101730763B1

KR101730763B1 - 엔코더를 이용한 디지털 방위환

Info

Publication number: KR101730763B1
Application number: KR1020160045960A
Authority: KR
Inventors: 이영섭; 이광근; 윤진영; 정선재
Original assignee: 주식회사 리영에스엔디
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2017-04-27

Abstract

엔코더를 이용하여 방위환의 회전을 정확하게 측정함으로써 진북 대비 선수의 방위 오차를 제거할 수 있도록 한 엔코더를 이용한 디지털 방위환에 관한 것으로서, 컴퍼스 리피터 위에 장착되어, 목표물의 방위에 따라 회전하는 방위환의 회전을 검출하는 회전 검출부; GPS신호를 기초로 자선의 위치 및 현재 시각 정보를 획득하는 GPS 수신부; 천측력을 포함하는 데이터베이스를 내장하고, 현재 시각과 현재 자선 위치에 대한 천체의 진방위를 계산하고, 회전 감지 값을 기초로 선수 대비 천체의 방위를 계산한 후, 상기 계산한 진방위와 방위를 연산하여 선수의 정확한 진방위를 계산하며, 획득 및 계산한 정보의 표시를 제어하는 중앙처리부; 및 상기 중앙처리부에서 출력되는 정보를 표시해주는 표시부를 포함하여, 엔코더를 이용한 디지털 방위환을 구현한다.

Description

엔코더를 이용한 디지털 방위환{Digital azimuth circle using encoder}

본 발명은 엔코더(encoder)를 이용한 디지털 방위환(azimuth circle)에 관한 것으로, 특히 엔코더를 이용하여 방위환의 회전을 정확하게 측정함으로써 진북 대비 선수의 방위 오차를 제거할 수 있도록 한 엔코더를 이용한 디지털 방위환에 관한 것이다.

일반적으로, 선수방위발신기(THD; Transmitting Heading Device)는 IMO(International Maritime Organization) Resolution MSC. 116(73)에서 규정하고 있으며, 선박의 진방위(True Heading)에 대한 정보를 항해사에게 공급하는 장비이다. 진방위란 당해 규정에서 정의한바, 진자오선과 선박의 Heading이 이루는 교각을 의미하며, 다르게 표현하여 진북이라는 용어로 대신 사용되고 있다.

DNV(Det Norske Veritas)를 위시한 각국의 선급에서는 상기 IMO 규정을 이미 강제화하여, 선박의 안전을 도모하는 데 많은 노력을 기울이고 있다.

상기 선수방위발신기를 이용하여 선박의 진방위를 정확하게 산출하기 위해서는 해상 목표물의 방위를 측정하는 방위환이 필수적으로 사용된다. 여기서 방위환은 항해 중 컴퍼스 리피터(compass repeater) 위에 설치하여 해상 목표물의 방위를 측정하기 위해 사용하는 기구이다. 통상, 컴퍼스 보울(bowl) 위에 끼워 사용된다.

일반적인 방위환은 아날로그 방식으로서, 콤퍼지션링(composition ring), 비프 베인(peep vane), 파 베인(far vane), 프리즘 미러(prism mirror) 등으로 이루어진다.

목표물의 방위를 측정할 때, 비프 베인을 통하여 목표물을 보면서 콤퍼지션링(composition ring) 위에 있는 핑거 러그를 잡고 돌려서, 목표물이 수직 철사(가는 철사)에 나타나게 한다. 파 베인 아래쪽에 수직 철사와 일치하는 중심선이 나타나 있는 거울이 있는데, 이 거울을 통하여 컴퍼스 카드를 읽을 수 있게 되어 있다. 즉, 수직 철사가 지시하는 카드의 눈금이 목표물의 방위가 된다. 또 파 베인에는 검은 유리로 된 반사경이 있는데, 이 반사경은 수평축 주위로 움직일 수 있게 되어 있다. 고도가 높은 천체의 방위를 측정할 때에는 천체의 영상이 이 반사경에 나타나게 거울을 조정하여 방위를 측정한다.

이러한 방위환을 이용하여 선박 항해를 위한 방위각을 계산하거나 측정하는 종래기술이 하기의 <특허문헌 1> 내지 <특허문헌 2> 에 개시되었다.

<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 GPS 수신기로 측정한 자선(自船) 위치와, 이 위치에서 가장 가까운 전파 표지국을 색정(索定)해서 얻어진 위치와, 당해 전파 표지국이 발사하는 표지전파의 도래 방향을 방향탐지기로 측정해서 얻어진 전파 표지국의 자선으로부터의 상대방위를 가지고서 구면 삼각 연산에 의해, 자선의 선수방위를 산출한다. 이로써 고가인 자이로 컴퍼스나 정밀도에서 불만족스러운 자기 컴퍼스의 대체로서 고정밀도이고 또한 저가인 나침반을 제공한다.

<특허문헌 2> 에 개시된 종래기술은 전자 나침반을 360° 회전시키면서 미리 결정된 방위각에 대응하는 편각 값을 측정하는 제1단계, 측정된 편각 값을 정현 함수로 피팅(fitting)하는 제2단계, 피팅된 정현 함수를 디스플레이(display)하는 제3단계 및 디스플레이된 정현 함수에 오프셋 보정, 진폭 보정 및 방위각 보정을 적용하는 제4단계를 포함한다. 이러한 과정을 통해 전자 나침반의 방위 오차를 보정한다.

대한민국 공개특허 10-2005-0025037호(2005.03.11. 공개) 대한민국 공개특허 10-2011-0126450호(2011.11.23. 공개)

그러나 상기와 같은 일반적인 방위환 및 종래기술들은 아날로그 방식의 방위환을 이용하여 해상 목표물의 방위를 측정하는 데, 이때 진북 대비 선수의 방위 오차와 사람의 눈으로 읽어들이는 것에 의한 오차가 발생하는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 일반적인 방위환 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 엔코더를 이용하여 방위환의 회전을 정확하게 측정함으로써 진북 대비 선수의 방위 오차를 제거할 수 있도록 한 엔코더를 이용한 디지털 방위환을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 항해 중 사용하는 각종 컴파스의 값을 표시하는 리피터의 위에 장착되어, 항상 진북 대비 정확한 방위 값을 제공해주어, 해당 컴파스가 항상 진북 대비 양호한 값의 보정을 실시간 행할 수 있도록 도모해주는 엔코더를 이용한 디지털 방위환을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 엔코더를 이용한 디지털 방위환은 컴퍼스 리피터 위에 장착되어, 목표물의 방위에 따라 회전하는 방위환의 회전을 검출하는 회전 검출부; GPS신호를 기초로 자선의 위치 및 현재 시각 정보를 획득하는 GPS 수신부; 천측력을 포함하는 데이터베이스를 내장하고, 상기 GPS 수신부를 통해 획득한 현재 시각과 현재 자선 위치에 대한 천체의 진방위를 계산하고, 상기 회전 검출부를 통해 획득한 회전 감지 값을 기초로 선수 대비 천체의 방위를 계산한 후, 상기 계산한 진방위와 방위를 연산하여 선수의 정확한 진방위를 계산하며, 획득 및 계산한 정보의 표시를 제어하는 중앙처리부; 상기 중앙처리부에서 출력되는 정보를 표시해주는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 엔코더를 이용한 디지털 방위환은 상기 회전 검출부와 GPS 수신부와 표시부 및 중앙처리부에 구동용 전원을 공급해주는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 회전 검출부는 방위환 축의 회전 방향과 속도를 검출하는 엔코더를 이용하여 방위환의 회전을 검출하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 엔코더는 방위환에 일체형으로 고정 장착되며, 상기 엔코더가 장착된 방위환은 컴파스 리피터에 고정되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 중앙처리부는 상기 현재 시각과 현재 자선 위치를 기초로 계산된 진북대비 천체의 진방위와 상기 엔코더를 통해 추출된 선수 대비 천체의 방위를 가산하여 선수의 진방위를 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 표시부는 현재 시각(UTC), 현재 자선의 위치(Latitude, Longitude), 천체의 진방위(Zn), 천체의 지위(GHA, Dec), 엔코더 방위(Encoder-Zn), 진북 대비 선수 방위(True Heading) 중 적어도 하나 이상을 표시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 엔코더를 이용하여 방위환의 회전을 정확하게 측정함으로써, 진북 대비 선수의 방위 오차를 제거할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 항해 중 사용하는 각종 컴퍼스의 값을 표시하는 리피터의 위에 장착되어, 항상 진북 대비 정확한 방위 값을 제공해줌으로써, 해당 컴퍼스가 항상 진북 대비 양호한 값의 보정을 실시간 행할 수 있도록 도모해주는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 엔코더를 이용한 디지털 방위환의 블록 구성도,
도 2는 본 발명이 적용되는 선수방위발신기(THD)의 개략 구성도,
도 3은 컴퍼스 리피터의 보정 예시도,
도 4는 본 발명에서 선수의 진방위 계산 설명도,
도 5는 본 발명에서 진북 대비 선수의 각도 계산 설명도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 엔코더를 이용한 디지털 방위환을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 엔코더를 이용한 디지털 방위환의 블록 구성도이다.

본 발명에 따른 엔코더를 이용한 디지털 방위환(1)은 GPS 수신부(10), 회전 검출부(20), 전원부(30), 중앙처리부(40) 및 표시부(50)를 포함한다.

상기 GPS 수신부(10)는 GPS위성을 통해 수신한 GPS신호를 기초로 자선의 위치(latitude, Longitude) 및 현재 시각 정보(GMT)를 획득하는 역할을 하며, 상기 전원부(30)는 상기 회전 검출부(20)와 GPS 수신부(10)와 표시부(50) 및 중앙처리부(40)에 구동용 전원을 공급해주는 역할을 한다. 이러한 전원부(30)는 내장 배터리를 이용하여 구동용 전원을 공급해주는 것도 가능하고, 외부 전원을 이용하여 구동용 전원을 공급해주는 것도 가능하다. 여기서 전원부(30)는 전원스위치의 온/오프 조작에 따라 전원을 공급 또는 차단하는 것이 바람직하다.

상기 회전 검출부(20)는 컴퍼스 리피터(compass repeater) 위에 장착되어, 목표물의 방위에 따라 회전하는 방위환의 회전을 검출하는 역할을 한다. 이러한 회전 검출부(20)는 방위환 축의 회전 방향과 속도를 검출하는 엔코더를 이용하여 방위환의 회전을 검출한다. 엔코더는 로터리 엔코더를 이용할 수 있다.

상기 엔코더는 방위환(디지털 방위환)에 일체형으로 고정 장착되는 것이 바람직하며, 상기 방위환은 컴퍼스 리피터에 고정되게 장착되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 중앙처리부(40)는 천측력을 포함하는 데이터베이스(DB)를 내장하고, 상기 GPS 수신부(10)를 통해 획득한 현재 시각(UTC)과 현재 자선 위치(Latitude, Longitude)에 대한 천체의 진방위(Zn)를 계산하고, 상기 회전 검출부(20)를 통해 획득한 회전 감지 값을 기초로 선수 대비 천체의 방위(Encoder-Zn)를 계산한 후, 상기 계산한 진방위와 방위를 연산하여 선수의 정확한 진방위(True Heading)를 계산하며, 획득 및 계산한 정보의 표시를 제어하는 역할을 한다.

이러한 중앙처리부(40)는 마이컴, 컨트롤러, 마이크로프로세서, 중앙처리장치와 같은 제어장치로 구현하는 것이 바람직하다.

상기 표시부(50)는 상기 중앙처리부(40)에서 출력되는 정보를 표시해주는 역할을 하는 것으로서, 액정표시장치(LCD)와 같은 표시장치를 이용할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 엔코더를 이용한 디지털 방위환에 대한 구체적인 설명을 첨부한 도면 도 1 내지 도 5를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 엔코더를 장착한 디지털 방위환(1)을 특정 컴퍼스 리피터 위에 고정되게 장착한다.

여기서 엔코더는 방위환과 일체형으로 제작하는 것이 바람직하며, 방위환은 목표물의 방위에 따라 회전 가능하도록 설치된다.

실제 항해가 시작되어, 디지털 방위환(1)의 전원 스위치를 온(on) 상태로 만들면, 전원부(30)에 의해 구동용 전원이 디지털 방위환(1)의 각부에 공급된다. 구동용 전원이 공급되면 중앙처리부(40)는 초기화를 수행하고, GPS수신신호 및 방위환 회전 검출 신호를 기반으로 진북 대비 방위를 계산하여 표시부(50)를 통해 표시해준다.

즉, 특정 컴퍼스 리피터를 통해 진북 대비 선수의 방위를 표시하고자 하면, 관측자(예를 들어, 항해사)는 컴퍼스 리피터 상에서 디지털 방위환(1)을 목표물(천체)에 맞추고 천측을 시행하기 위해 디지털 방위환(1)을 돌리면, 디지털 방위환(1)은 진북 대비 방위를 표시해준다.

예컨대, GPS 수신부(10)는 GPS위성신호로부터 자선의 위치(Latitude, Longitude) 정보 및 현재 시간(UTC)을 추출하여 중앙처리부(40)에 전달한다. 여기서 자선의 위치는 GPS를 통해 획득하는 것도 가능하지만, 사용자가 임의로 수동으로 입력하는 것도 가능하다.

아울러 회전 검출부(20)는 로터리 엔코더와 같은 엔코더를 이용하여 목표물(천체)의 방위에 따라 회전하는 방위환의 회전(축의 회전 방향과 속도)을 검출하여, 중앙처리부(40)에 전달한다.

상기 중앙처리부(40)는 상기 GPS 수신부(10)를 통해 획득한 현재 시각과 현재 자선 위치를 기초로 천측력 데이터베이스를 이용하여 진북대비 천체의 진방위(Zn)를 계산한다. 여기서 현재 시각에 대한 천체의 위치 정보(지위)를 포함하는 천체 궤도 정보인 천측력 데이터베이스를 이용하여 진북 대비 천체의 진방위를 계산하는 것은, 이미 알려진 방법이므로 이것에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

다음으로, 중앙처리부(40)는 상기 회전 검출부(20)에서 검출한 회전 정보를 기반으로 선수 대비 천체의 방위인 엔코더 방위(Encoder-Zn)를 계산한다. 여기서 엔코더 방위도 상기 천체 궤도 정보인 천측력 데이터베이스를 이용하여 진북 대비 천체의 진방위를 계산한다.

이어, 중앙처리부(40)는 내 위치와 천체의 지위를 이론적으로 계산한 천체의 진방위(Zn)와 엔코더방위(Encoder-Zn)를 연산하여 선수의 진방위를 계산한다. 즉, 상기 이론적으로 계산한 천체의 진방위와 상기 엔코더를 통해 추출된 선수 대비 천체의 방위를 가산하여, 그 결과치를 선수의 진방위로 계산한다.

이렇게 계산된 선수의 진방위 및 다양한 정보는 표시부(50)에 전달되고, 표시부(50)를 통해 디스플레이된다.

여기서 표시부(50)에 디스플레이되는 정보는, 현재 시각(UTC), 현재 자선의 위치(Latitude, Longitude), 천체의 진방위(Zn), 천체의 지위(GHA, Dec), 엔코더 방위(Encoder-Zn), 진북 대비 선수 방위(True Heading) 중 적어도 하나 이상을 표시하는 것이 바람직하다.

관측자는 상기 표시부(50)에 디스플레이되는 진북 대비 선수 방위와 진북 대비 선수 방위(True Heading)의 측정을 통해 연산된 컴퍼스 리피터 상의 방위 값을 을 비교하여, 일치하는지를 검사한다. 이후, 컴퍼스 리피터 상의 방위 값을 보정 함으로써, 항상 진북 대비 양호한 방위를 표시해주게 되는 것이다.

즉, 항해 중 사용되는 각종 컴파스는 그 값을 표시하는 리피터 상에 본 발명에 의한 디지털 방위환을 장착하여, 상기 진북 대비 선수 방위와 컴퍼스 리피터 상의 방위 값을 비교하여, 상호 일치하도록 컴퍼스 리피터의 방위 값을 보정한다.

이를 통해 마그네틱 컴퍼스는 물론 각종 자이로 컴퍼스까지도 항상 진북 대비의 양호한 값의 보정을 실시간 수행할 수 있게 되는 것이다.

도 2는 본 발명이 적용되는 선수방위발신기(THD)의 개략 구성도로서, Bearing Sensor와 컴퍼스 리피터(Bearing Repeater) 간의 오차를 보정하는 과정을 도시한 것이다.

만약, Bearing Sensor서 Heading이 250°일 때, 리피터에서 도 3과 같이 200°를 가리키고 있다면, 사용자가 수동으로 +50°하는 보정값을 입력함으로써, 리피터와 Bearing Sensor를 동기화시키게 된다.

방위환을 이용한 진방위 계산은 도 4에 도시한 바와 같이, GPS를 통해 위도 및 경도, 현재 시간(Universal Time)을 수신한 뒤, 이 값들을 특정 연산을 통해 현재의 진북(True North) 대비 태양의 위치를 연산한다. 이어, 위치 검출부인 엔코더를 통해 현재 선박의 Heading 기준 태양의 위치를 측정하고, 이를 통해 진북을 계산한다.

이후, 엔코더로 측정했을 때 각이 320°이고, 알고리즘을 통해 계산된 각이 200°라면, Heading과 태양은 40°의 차이가 발생하므로, 알고리즘을 통해 계산된 200°에서 차이인 40°만큼을 더해주면, True Heading 240°를 산출할 수 있게 되는 것이다.

만약, 진북을 기준으로 고려하면, 도 5에 도시한 바와 같이, 엔코더로 태양을 측정했을 때 각이 320°(B)이고, 천측 알고리즘을 통해 현재 위치, 현재시간에서의 진북 대비 태양의 각이 200°(A)이므로, X(진북 대비 선수의 각도) = A +(360 - B) = 360 + A - B로 표현할 수 있으므로, X = 360 + 200 - 320 = 240이 된다. 즉, 진북 대비 선수의 각도(Heading)는 240°가 된다(단, 계산 시 X의 범위는 0 ≤ X ≤ 360).

이러한 과정을 통해 진방위를 계산하면, 리피터는 항상 진방위를 가르키게 되는 것이다. 선체의 회전에 따라 Bearing Sensor에서 값이 변화하면, 이에 비례하여 True Heading도 함께 변화한다. 이를 통해 컴퍼스 리피터는 항상 진북 대비 Hearding값을 유지하게 되는 것이다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10: GPS 수신부
20: 회전 검출부
30: 전원부
40: 중앙처리부
50: 표시부

Claims

컴퍼스 리피터 위에 장착되어, 목표물의 방위에 따라 회전하는 방위환의 회전을 검출하는 회전 검출부;
GPS신호를 기초로 자선의 위치 및 현재 시각 정보를 획득하는 GPS 수신부;
천측력을 포함하는 데이터베이스를 내장하고, 상기 GPS 수신부를 통해 획득한 현재 시각과 현재 자선 위치에 대한 천체의 진방위를 계산하고, 상기 회전 검출부를 통해 획득한 회전 감지 값을 기초로 선수 대비 천체의 방위를 계산한 후, 상기 계산한 진방위와 방위를 연산하여 선수의 정확한 진방위를 계산하며, 획득 및 계산한 정보의 표시를 제어하는 중앙처리부; 및
상기 중앙처리부에서 출력되는 정보를 표시해주는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더를 이용한 디지털 방위환.
청구항 1에서, 상기 회전 검출부와 GPS 수신부와 표시부 및 중앙처리부에 구동용 전원을 공급해주는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더를 이용한 디지털 방위환.
청구항 1에서, 상기 회전 검출부는 방위환 축의 회전 방향과 속도를 검출하는 엔코더를 이용하여 방위환의 회전을 검출하는 것을 특징으로 하는 엔코더를 이용한 디지털 방위환.
청구항 3에서, 상기 엔코더는 방위환에 일체형으로 고정 장착되며, 상기 엔코더가 장착된 방위환은 컴퍼스 리피터에 고정되는 것을 특징으로 하는 엔코더를 이용한 디지털 방위환.
청구항 1에서, 상기 중앙처리부는 상기 현재 시각과 현재 자선 위치를 기초로 계산된 진북대비 천체의 진방위와 상기 엔코더를 통해 추출된 선수 대비 천체의 방위를 가산하여 선수의 진방위를 계산하는 것을 특징으로 하는 엔코더를 이용한 디지털 방위환.
청구항 1에서, 상기 표시부는 현재 시각(UTC), 현재 자선의 위치(Latitude, Longitude), 천체의 진방위(Zn), 천체의 지위(GHA, Dec), 엔코더 방위(Encoder-Zn), 진북 대비 선수 방위(True Heading) 중 적어도 하나 이상을 표시하는 것을 특징으로 하는 엔코더를 이용한 디지털 방위환.