KR101767197B1

KR101767197B1 - 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치 및 이를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법

Info

Publication number: KR101767197B1
Application number: KR1020160056330A
Authority: KR
Inventors: 문규진; 유창경; 홍주현; 김현승; 김정훈; 하현종; 박우성
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2017-08-11

Abstract

본 발명은 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치 및 이를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 모의장치를 포함하여 구성되는 시험장치를 이용하여 위성의 항법 알고리듬의 주요 요소인 별센서 알고리듬과 영상센서 알고리듬을 검증하고, 이를 이용하여 위성의 천측항법 알고리듬을 검증할 수 있도록 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치 및 이를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법에 관한 것이다.

Description

위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치 및 이를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법{Simulator for the Verification of Celestial Navigation Algorithm of a Satellite and the Celestial Navigation Algorithm Verification Method using the Simulator}

일반적으로 위성을 목적지까지 정확히 유도하기 위한 항법시스템에는 크게 세 가지 종류가 있는데, 그 중 첫번째는 지구 기반의 수동적 항법 시스템이고, 두 번째는 다른 위성 등을 이용한 간접적 위치 추정방식으로 GPS와 같은 반 능동적 항법시스템이다.

마지막으로 세번째는 우주 기반의 능동적 자율항법시스템으로, 천측항법이 대표적인 자율항법시스템의 한 종류이다.

이때, 천측항법은 중세에 항해에서 흔히 사용되던 방식으로 별을 관찰하여 자신의 위치를 추정하는 기법이다. 즉, 고대 천측항법은 천정(zenith)를 향하는 방향에 대해 식별이 가능한 세 개의 별(천체)의 시선이 이루는 각이 주어질 경우 지표면상에서의 관측자의 위치를 결정할 수 있도록 구성된 것이다.

이와 같은 천측항법의 원리를 위성에서 이용할 경우 위성의 고도 및 천정방향을 결정하기 위한 로컬 수평면에 대한 정밀한 정보가 필요하며, 또한 별의 관측각과 관측된 별을 식별할 수 있어야 하는데, 이러한 정보들은 위성의 정밀한 자세 결정을 위해 널리 사용되고 있는 자세센서를 통해 획득할 수 있다.

즉, 천측항법을 이용하는 경우 위성이 탑재하고 있는 자세센서 만으로도 위성의 위치 및 자세를 결정할 수 있는데, 그에 따라 위성에 흔히 탑재되는 자세센서인 별센서 2기와 영상센서 1기를 이용하는 경우 자율항법시스템 중 하나인 천측항법이 가능하게 된다.

보다 상세히 설명하면, 일반적으로 천구에는 지구관성좌표계를 기준으로 각 별들의 위치가 구 위의 한점으로 표시된다. 이때 천구에 표시되는 다양한 별들 중에서 태양, 달, 태양계의 행성 들을 제외하면 위치가 거의 변하지 않는 별인 항성만 남게 되는데, 이 항성들은 천구상의 위치가 일정하므로 DB화를 수행하기가 유용하다.

별 카탈로그는 항성들의 천구상의 위치를 모아놓은 자료로 도 1에 도시된 바와 같이, 지구관성좌표계에 대해 적경(RA)과 적위(DEC)의 두 회전각으로 방향 만을 정의해 두고 있다.

한편, 항성은 아주 멀리에서 빛이 오는 것으로 가정하고 있기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 지구(Earth)의 어떤 위치에 있더라도 평행하게 빛이 들어오는데, 평행하게 들어오는 빛 중에서 지구 중심을 향하는 빛이 지표면과 만나는 지점을 GP(Geographic Position)이라 하며 이 위치는 적경과 적위가 정의하는 방향의 벡터와 지표면이 만나는 점과 일치한다.

한편, 천측항법은 별 카탈로그에 포함되어 있는 별의 관측각(H)을 찾는 것에서부터 시작한다. 별의 관측각(H)은 관측자 기준의 수평면으로부터 별이 보이는 각도를 말하는 것으로, 고대 천측항법을 사용할 때에는 육분의 등을 이용하여 각도를 측정하였다. 항성의 특성상 빛이 지구 전 영역에 대해 평행하게 들어오며 지구(Earth)는 커다란 구형 물체이기 때문에 관측각(H)을 갖는 지점(별이 수평면에서 H 각도만큼 위에 떠있는 것처럼 보이는 지점)은 한 점이 아니라 구체 위의 무수히 많은 지점이 있으며 이 지점은 GP를 중심으로 커다란 원을 형성하게 된다.

따라서 관측자는 별 카탈로그를 통해 별의 GP를 알고 있으므로 지구본 위에 커다란 원을 그릴 수 있으며 두 번째 별을 이용하여 동일한 방식으로 원을 그려 도 2와 같이 관측자의 위치를 2개의 후보로 압축할 수 있다.

이때, 2기의 별센서로부터 측정된 두 개의 별에 대한 가상의 위치를 알고 있으므로, 관측자의 위치 좌표를 미지수로 하여 별의 가상의 위치에서 관측자까지의 거리를 구하는 식을 이용할 경우 관측자의 위치 좌표(X,Y,Z)에 대한 미지수의 개수 즉, 3개보다 방정식의 개수 즉, 두 개의 별에 대한 관측자까지의 거리를 구하는 식의 개수가 1개 작으므로 최종적으로 2차 방정식 형태의 식이 얻어지게 되고, 해당 식에 reduced row echelon form을 적용할 경우 2개의 해를 얻을 수 있으며, 필터를 통해 1개를 걸러내어 관측자의 위치에 해당되는 적절한 해를 구할 수 있게 된다.

또한, 상기 영상센서를 이용할 경우 위성의 주위에 존재하는 행성과의 위치관계를 이용하여 위성의 고도 및 자세를 결정할 수 있으므로, 2기의 별센서와 1기의 영상센서를 조합할 경우 천측항법이 가능하게 된다.

상기와 같은 내용과 관련하여, 대한민국 등록특허공보 제10-0563948호에는 별센서 자세결정 시험장치 및 별센서 자세결정 시험장치의 가상 별자리 투영방법이 게재되어 있는데, 그 주요 기술적 구성은 외형을 형성하는 프레임과; 프레임의 상측에 슬라이드 이동가능하게 마련되며, 가상의 별자리를 나타내는 평면 디스플레이장치와; 평면 디스플레이장치의 하면에 마련되어 평면 디스플레이장치에 나타나는 별자리를 인식하는 CCD카메라와; CCD카메라가 고정됨과 동시에 CCD카메라에서 감지되는 평면디스플레이에 나타나는 가상의 별자리를 이용하여 3축의 자세정보를 연산하는 관성측정장치와; CCD카메라 및 관성측정장치를 3축의 방향으로 회전 및 회동시키는 3축베어링을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

즉, 상기 선행기술은 별 센서를 이용하여 인공 위성의 자세를 계산할 수 있도록 구성된 것에 그 특징이 있으나, 1개의 별센서 모사장치만을 사용하므로 인공위성의 자세 추정만이 가능하고, 위치 추적이 불가능하여 천측항법을 검증하기 위한 장비로는 사용할 수 없는 단점이 있다.

1. 대한민국 등록특허공보 제10-0563948호(2006. 03. 30. 공고)

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 2기의 별센서 모의장치와 1기의 영상센서 모의장치를 포함하여 구성되는 시험장치를 이용하여 위성 항법 알고리듬의 주요 요소인 별센서 알고리듬과 영상센서 알고리듬을 검증하고, 이를 이용하여 위성의 천측항법 알고리듬을 검증할 수 있도록 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치 및 이를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

위성에 탑재되는 별센서로부터 관측된 별과의 상대적인 위치로부터 위성의 자세정보를 파악하는 별센서 알고리듬의 검증을 위한 제1 및 제2별센서 모의장치와, 위성에 탑재되는 영상센서로부터 관측된 행성의 외곽선을 추출하여 위성의 고도 및 자세정보를 파악하는 영상센서 알고리듬의 검증을 위한 영상센서 모의장치와, 상기 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치가 설치되는 지지프레임 및 상기 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 연결 설치되고, 천측항법 알고리듬이 탑재되어 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에서의 위성의 실제 자세값과, 별센서 알고리듬 및 영상센서 알고리듬을 통해 추정된 위성의 자세값의 비교를 통해 천측항법 알고리듬의 성능을 검증하는 컴퓨터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제1 및 제2별센서 모의장치는 별을 포함하는 천구를 모사하는 제1 및 제2천구 시뮬레이터와, 천구의 이미지를 획득하여 위성의 자세를 결정할 수 있도록 하는 제1 및 제2별센서 시뮬레이터 및 상기 제1 및 제2천구 시뮬레이터와 제1 및 제2별센서 시뮬레이터가 설치되는 제1 및 제2설치프레임을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1 및 제2천구 시뮬레이터는 위성의 자세와 별센서의 장착각을 고려하여 별과 위성을 포함하는 천구를 모사하여 현시하는 제1 및 제2모니터를 포함하여 구성되고, 상기 별은 별 카탈로그의 적경, 적위 및 겉보기 등급을 사용하여 제1 및 제2모니터 상에 표시되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 별은 겉보기 등급을 크기로 환산하여 제1 및 제2모니터 상에 현시되고, 제1 및 제2모니터 상에서의 위성의 움직임은 천구를 회전시키는 방법에 의해 표현되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1 및 제2별센서 시뮬레이터는 별센서를 모의하여 천구를 촬영하는 제1 및 제2카메라와, 상기 제1 및 제2카메라의 전방에 구비되는 제1 및 제2렌즈를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 및 제2카메라는 전,후 이동이 가능하고, 촬영 방향을 조정할 수 있도록 설치된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1설치프레임은 지지프레임 상에 안치되는 지지부와, 상기 지지부의 일측 상부에 설치되어 제1천구 시뮬레이터가 설치될 수 있도록 하는 제1천구 시뮬레이터 설치부 및 상기 지지부의 타측 상부에 설치되어 제1별센서 시뮬레이터가 설치될 수 있도록 하는 제1별센서 시뮬레이터 설치부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 지지부의 하부에는 제1설치프레임의 수평 조절을 위한 다수 개의 높이 조절구가 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1천구 시뮬레이터 설치부는 지지부 상에 수직으로 설치되는 지지대와, 상기 지지대에 상,하로 이동 가능하도록 연결 설치되어 제1천구 시뮬레이터의 제1모니터가 고정 설치될 수 있도록 하는 제1고정프레임을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1별센서 시뮬레이터 설치부는 지지부의 상부에 고정 설치되는 고정마운트와, 상기 고정마운트의 상부에 전,후로 이동 가능하도록 연결 설치되는 이동마운트와, 상기 이동마운트에 연결 설치되어 이동마운트를 전,후로 이동시키는 구동부 및 상기 이동마운트의 상부에 좌,우 방향으로 회동 가능하도록 연결 설치되어 제1별센서 시뮬레이터를 구성하는 제1카메라 고정 설치될 수 있도록 하는 제2고정프레임을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동부는 일측 단부가 이동마운트에 연결 설치되어 회전에 의해 이동마운트를 전,후 방향으로 이동시키는 리드스크류와, 상기 리트스크류의 타측 단부에 구비되어 사용자의 조작에 의해 리드스크류를 회전시킬 수 있도록 하는 조절핸들 및 리드스크류에 설치되어 리드스크류의 회전을 제한하는 잠금장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 영상센서 모의장치는 위성이 궤도 운동 중인 행성을 포함하는 천구의 영상을 도시하는 제3모니터를 포함하여 구성되는 제3천구 시뮬레이터와, 상기 제3모니터 상에 도시된 행성의 영상을 촬영하는 제3렌즈가 구비된 제3카메라를 포함하여 구성되는 영상센서 시뮬레이터 및 상기 제3천구 시뮬레이터와 영상센서 시뮬레이터가 설치되는 제3설치프레임을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 컴퓨터는 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 별 또는 행성을 포함하는 천구의 영상을 표현하기 위한 프로그램을 제어하고 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 표현되는 내용을 실시간으로 모니터링 하는 제어부와, 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 표현되는 위성의 궤도를 시뮬레이션할 수 있도록 연산하는 궤도 연산부 및 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 표현되는 별 또는 행성을 시뮬레이션 하는 천구모의부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 천측항법 알고리듬 검증방법은,

위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법에 있어서, 제1 및 제2별센서 모의장치를 이용하여 위성에 탑재되는 별센서로부터 관측된 별과의 상대적인 위치로부터 위성의 자세정보를 파악하는 별센서 알고리듬을 검증하는 별센서 알고리듬 검증단계와, 영상센서 모의장치를 이용하여 위성에 탑재되는 영상센서로부터 관측된 행성의 외곽선을 추출하여 위성의 고도 및 자세정보를 파악하는 영상센서 알고리듬을 검증하는 영상센서 알고리듬 검증단계 및 상기 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 의해 발생되는 왜곡현상을 보정하기 위한 왜곡 보정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 별센서 알고리듬 검증단계는, 제1 및 제2별센서 모의장치에 구비되는 제1 및 제2카메라를 이용하여 제1 및 제2천구 시뮬레이터의 제1 및 제2모니터에 현시된 천구의 이미지를 촬영하는 이미지 획득단계와, 상기 이미지 획득단계에서 획득된 이미지에 포함된 별들의 위치를 특정하기 위한 전처리 단계와, 상기 전처리 단계에서 특정된 별들의 위치를 이용하여 별자리를 인식하는 후처리 단계 및 상기 후처리 단계에서 인식된 별자리와 그에 해당되는 별 카탈로그 정보를 이용하여 위성의 자세를 결정하는 자세결정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전처리 단계는, 스레스홀딩 작업을 통해 이미지 획득단계에서 획득된 이미지에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 제거단계와, 노이즈가 제거된 이미지에 가우시안 필터를 적용시켜 불연속적인 별의 픽셀값을 연속적으로 변환시키는 필터링 단계와, 상기 필터링 단계에서 필터링된 이미지를 레이블링을 통해 인접한 밝기를 갖는 픽셀끼리 그룹화시키는 레이블링 단계 및 그룹화된 별들에 무게중심법을 적용시켜 중심점을 추출하는 중심점 추출단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 후처리 단계에서는 중심점이 추출된 별들에 대해 그리드 알고리듬을 수행하여 별자리의 패턴을 인식한 후, 이를 별 카탈로그의 패턴과 비교하여 최종적으로 별자리를 인식하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 영상센서 알고리듬 검증단계는, 영상센서 모의장치에 구비되는 제3카메라를 이용하여 제3천구 시뮬레이터의 제3모니터에 현시된 행성의 이미지를 촬영하는 행성 이미지 획득단계와, 상기 행성 이미지 획득단계에서 획득된 이미지를 영상 처리 알고리듬을 통해 행성의 외곽선을 추출한 후 외곽선의 곡률을 인식하는 영상처리단계와, 상기 영상처리단계에서 처리된 이미지를 이용하여 행성의 중심점과 반경을 구하는 중심점 및 반경 산출단계 및 상기 중심점 및 반경 산출단계에서 산출된 행성의 중심점과 반경을 이용하여 위성의 고도 및 자세를 결정하는 고도 및 자세 결정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 중심점 및 반경 산출단계에서는 최소자승법 알고리듬을 통해 영상처리단계에서 처리된 이미지에 포함된 픽셀의 점들을 이용하여 행성의 중심 및 반경을 도출하고, SQP(Sequential Quadratic Programming)기법을 통해 도출된 행성의 중심 및 반경을 최적화시키는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 왜곡 보정단계는, 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치의 제1 내지 제3카메라에 각각 구비되는 제1 내지 제3렌즈에 의해 발생되는 렌즈왜곡을 보정하는 렌즈왜곡 보정단계와, 상기 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 각각 구비되는 제1 내지 제3천구 시뮬레이터와 별센서 시뮬레이터 또는 영상센서 시뮬레이터 사이의 정렬문제에 의해 발생되는 정렬왜곡을 보정하는 정렬왜곡 보정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 렌즈왜곡 보정단계는, 등간격의 패턴이 일정하게 형성된 체스보드를 준비하여 제1 내지 제3카메라로 각각 촬영하는 체스보드 촬영단계와, 촬영된 체스보드의 이미지 중 왜곡이 포함된 점의 좌표와 왜곡이 포함되지 않은 점의 좌표를 이용하여 왜곡계수를 산출하는 왜곡계수 산출단계 및 왜곡이 포함된 점의 좌표와 왜곡이 포함되지 않은 점의 좌표에 왜곡계수를 적용하여 왜곡시킨 점의 좌표의 비교를 통해 오차가 허용범위 이내인지를 판별하는 오차판별단계 및 상기 오차판별단계에서의 판별된 오차가 허용범위 이내인 경우 왜곡계수 산출단계에서 산출된 왜곡계수를 이용하여 왜곡이 포함된 점의 좌표를 보정하는 보정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 정렬왜곡 보정단계는, 투영변환을 통해 상기 제1 내지 제3천구 시뮬레이터에 구비되는 제1 내지 제3모니터의 평면과, 제1 내지 제3카메라에 의해 촬영되는 이미지 평면 사이의 평행오차에 의해 발생되는 투영왜곡을 보정하는 투영왜곡 보정단계와, 평행이동을 통해 상기 제1 내지 제3모니터의 평면과, 제1 내지 제3카메라에 의해 촬영되는 이미지 평면의 중심 사이의 오차에 의한 시프트 에러(shift error)를 보정하는 시프트 에러 보정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 단순한 구성에 의해 위성의 천측항법에 사용되는 별센서와 영상센서를 모사할 수 있도록 함으로써 위성 항법 알고리듬의 주요 요소인 별센서 알고리듬과 영상센서 알고리듬을 검증하고, 이를 이용하여 위성의 천측항법 알고리듬을 검증할 수 있도록 하는 뛰어난 효과를 갖는다.

또한, 본 발명에 따르면 단순한 구성에 의해 경제적으로 제작이 가능하면서도 천측항법 알고리듬 검증의 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과를 추가로 갖는다.

도 1은 천측방법의 개념에 사용되는 기하를 설명하기 위한 개략도.
도 2는 두 개의 천체 관측을 통해 관측자의 위치를 결정하기 위한 예를 설명하기 위한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치를 나타낸 사시도.
도 4는 도 3에 나타낸 본 발명 중 제1 및 제2설치프레임을 나타낸 사시도.
도 5는 도 3에 나타낸 본 발명 중 제1 및 제2별센서 모의장치에 의해 별센서 알고리듬을 검증하는 과정을 개략적으로 나타낸 개념도.
도 6은 본 발명에 따른 위성의 천측항법 알고리듬 검증방법을 나타낸 흐름도.
도 7의 (a) ~ (d)는 도 6에 나타낸 본 발명 중 별센서 알고리듬 검증단계의 과정을 설명하기 위한 개념도.
도 8의 (a) ~ (c)는 도 6에 나타낸 본 발명 중 고도 및 자세 결정단계의 과정을 설명하기 위한 개념도.
도 9는 도 6에 나타낸 본 발명 중 렌즈왜곡 보정단계에서의 보정 과정을 설명하기 위한 흐름도.
도 10은 도 6에 나타낸 본 발명 중 정렬왜곡의 형상을 개략적으로 나타내 개념도.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치 및 이를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3에 나타낸 본 발명 중 제1 및 제2설치프레임을 나타낸 사시도이며, 도 5는 도 3에 나타낸 본 발명 중 제1 및 제2별센서 모의장치에 의해 별센서 알고리듬을 검증하는 과정을 개략적으로 나타낸 개념도이고, 도 6은 본 발명에 따른 위성의 천측항법 알고리듬 검증방법을 나타낸 흐름도이며, 도 7의 (a) ~ (d)는 도 6에 나타낸 본 발명 중 별센서 알고리듬 검증단계의 과정을 설명하기 위한 개념도이고, 도 8의 (a) ~ (c)는 도 6에 나타낸 본 발명 중 고도 및 자세 결정단계의 과정을 설명하기 위한 개념도이며, 도 9는 도 6에 나타낸 본 발명 중 렌즈왜곡 보정단계에서의 보정 과정을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 10은 도 6에 나타낸 본 발명 중 정렬왜곡의 형상을 개략적으로 나타내 개념도이다.

본 발명은 다수의 모의장치를 포함하여 구성되는 시험장치를 이용하여 위성의 항법 알고리듬의 주요 요소인 별센서 알고리듬과 영상센서 알고리듬을 검증하고, 이를 이용하여 위성의 천측항법 알고리듬을 검증할 수 있도록 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치(10) 및 이를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법에 관한 것으로, 먼저 본 발명에 따른 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치(10)(이하, '시험장치(10)'라 한다)는 크게 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)와, 영상센서 모의장치(300), 지지프레임(400) 및 컴퓨터(500)를 포함하여 이루어진다.

보다 상세히 설명하면, 상기 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)는 위성에 탑재되는 별센서를 모의하기 위한 것으로, 별센서로부터 관측된 별과의 상대적인 위치로부터 위성의 자세정보를 파악하는 별센서 알고리듬의 검증을 위해 사용되는 것이다.

이때, 2기의 별센서 모의장치(100,200)를 사용하는 이유는 전술한 바와 같이, 두 개의 별의 GP를 측정하여 관측자와의 거리 연산을 통해 관측자의 위치를 결정하고, 이를 통해 위성의 위치 추정시 필요한 요소 중 하나인 별의 관측각(H)을 정확히 측정할 수 있도록 하기 위함이다.

상기 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)는 제1 및 제2모니터(112,212)를 포함하는 제1 및 제2천구시뮬레이터(110,210)와, 제1 및 제2카메라(122,222)와 제1 및 제2렌즈(124,224)를 포함하는 제1 및 제2별센서 시뮬레이터(120,220) 및 제1 및 제2설치프레임(130,230)을 포함하여 구성되는데, 서로 동일한 구조로 이루어진 것이므로 이하에서는 제1별센서 모의장치(100)를 기준으로 구체적인 구성을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 상기 제1별센서 모의장치(100)는 제1천구 시뮬레이터(110), 제1별센서 시뮬레이터(120) 및 제1설치프레임(130)을 포함하여 구성되는데, 그 중 상기 제1천구 시뮬레이터(110)는 다수의 별 및 임무 중인 위성을 포함하는 천구를 모사하는 역할을 하게 된다.

즉, 상기 제1천구 시뮬레이터(110)는 후술할 컴퓨터(500)에 연결 설치되는 제1모니터(112)를 포함하여 구성되어 컴퓨터(500)로부터 제공되는 특정 지역의 천구 영상을 제1모니터(112) 상에 디스플레이함으로써 다수의 별과 임무 중인 위성이 포함된 천구를 모사할 수 있도록 구성된 것이다.

이때, 상기 컴퓨터(500)는 위성의 자세와 위성에 구비되는 별센서의 장착각을 고려하여 제1모니터(112) 상에 별과 위성을 포함하는 천구가 현시되도록 하고, 상기 컴퓨터(500)에는 별 카탈로그가 내장되어 제1모니터(112) 상에 현시되는 별이 별 카탈로그의 적경(Right Ascension), 적위(Declination) 및 겉보기 등급을 사용하여 표시될 수 있도록 구성되어 있다.

또한, 상기 별의 겉보기 등급을 제1모니터(112) 상에 표현하는 것이 현실적으로 불가능하므로, 겉보기 등급을 크기로 환산하여 제1모니터(112) 상에 표현하게 된다.

즉, 별이 겉보기 등급과 밝기와의 관계는 아래의 (1)식에 의해 나타낼 수 있고,

... (1)

(여기서,

는 기준 겉보기 등급이고,

는 기준 밝기이며,

는 관측된 별의 밝기를 나타내는 것임.)

아래의 (2)식에 의해 별의 밝기(

)와 거리(r)의 관계를 알 수 있으므로,

... (2)

상기 (1)식과 (2)식의 조합을 통해 별의 겉보기 등급과 크기와의 관계를 얻을 수 있는 것이다.

그리고, 상기 제1모니터(112) 상에 현시되는 위성의 움직임은 천구를 회전시키는 방법에 의해 표현될 수 있는데, 세 축 즉, X축, Y축, Z축에 관해 회전된 별자리를 제1모니터(112) 상에 도시함으로써 시험장치(10)의 물리적인 회전 없이도 시간에 따른 위성의 움직임을 모사할 수 있게 된다.

다음, 상기 제1별센서 시뮬레이터(120)는 위성에 탑재되는 별센서를 모사하기 위한 것으로, 천구의 이미지를 획득하여 천구에 포함된 별들의 위치관계를 통해 위성의 자세를 결정할 수 있도록 하는 역할을 하게 된다.

보다 상세히 설명하면, 상기 제1별센서 시뮬레이터(120)는 제1카메라(122)와, 제1카메라(122)의 전방에 구비되는 제1렌즈(124)를 포함하여 구성되어 제1모니터(112) 상에 현시되는 천구의 이미지를 촬영하고 촬영된 이미지를 컴퓨터(500)로 전송할 수 있도록 구성되어 있다.

이때, 상기 제1렌즈(124)의 경우 실제 위성에 탑재되는 별센서의 스펙을 고려하여 시야각(Field of view)이 약 10도 정도인 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다.

다음, 상기 제1설치프레임(130)은 제1천구 시뮬레이터(110)와 제1별센서 시뮬레이터(120)가 설치될 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 지지부(132)와, 제1천구 시뮬레이터 설치부(134) 및 제1별센서 시뮬레이터 설치부(140)를 포함하여 구성된다.

보다 상세히 설명하면, 상기 지지부(132)는 제1설치프레임(130)이 후술할 지지프레임(400) 상에 설치될 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 상기 지지부(132)의 하부에는 제1설치프레임(130)의 수평을 조절할 수 있도록 하는 다수 개의 높이조절구(132a)가 구비되어 있다.

또한, 상기 지지부(132)의 길이는 제1별센서 시뮬레이터(120)를 구성하는 제1카메라(122)의 센서 크기와, 제1렌즈(124)의 초점거리 및 시야각을 고려하여 선정되는 것으로, 필요에 따라 지지부(132)의 길이를 조절할 수 있도록 구성될 수도 있음은 물론이다.

다음, 상기 제1천구 시뮬레이터 설치부(134)는 지지부(132) 상에 수직으로 설치되는 지지대(134a)와, 상기 지지대(134a)에 연결 설치되어 제1천구 시뮬레이터(110)를 구성하는 제1모니터(112)가 고정 설치될 수 있도록 하는 제1고정프레임(134b)으로 구성되는데, 상기 제1고정프레임(134b)은 지지대(134a)에 상,하로 이동 가능하도록 설치되어 제1모니터(112)의 설치 높이를 조정할 수 있도록 구성되어 있다.

다음, 상기 제1별센서 시뮬레이터 설치부(140)는 제1카메라(122)와 제1렌즈(124)를 포함하여 구성되는 제1별센서 시뮬레이터(120)를 설치하기 위한 것으로, 고정마운트(142), 이동마운트(144), 구동부(146) 및 제2고정프레임(148)을 포함하여 구성된다.

보다 상세히 설명하면, 상기 고정마운트(142)는 지지부(132)의 상부에 고정 설치되어 제1별센서 시뮬레이터(120)가 지지부(132) 상에 설치될 수 있도록 하는 역할을 하는 것이고, 상기 이동마운트(144)는 고정마운트(142)의 상부에 전,후 방향 즉, 제1모니터(112)의 방향으로 이동 가능하도록 설치되어 제1카메라(122)의 설치 위치를 조정할 수 있도록 하는 역할을 하는 것이다.

즉, 제1모니터(112)를 통해 현시되는 천구의 영상을 제대로 촬영하기 위해서는 제1카메라(122)의 종류(카메라 센서의 종류) 및 제1렌즈(124)의 시야각 등에 따라 제1모니터(112)와 제1카메라(122) 사이의 거리를 조절해야 하므로, 고정마운트(142)의 상부에 이동마운트(144)를 설치하여 제1모니터(112)의 방향으로의 전,후 이동이 가능하도록 구성한 것이다.

다음, 상기 구동부(146)는 이동마운트(144)에 연결 설치되어 이동마운트(144)를 전,후로 이동시키는 역할을 하는 것으로, 리드스크류(146a)와 조절핸들(146b)을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 리드스크류(146a)는 그 일측 단부가 이동마운트(144)에 연결 설치되어 회전에 의해 이동마운트(144)를 전,후 방향으로 이동시킬 수 있도록 하는 역할을 하는 것이고, 상기 조절핸들(146b)은 리트스크류의 타측 단부에 구비되어 사용자의 조작에 의해 리드스크류(146a)를 회전시킬 수 있도록 하는 역할을 하는 것이다.

즉, 사용자가 조절핸들(146b)을 일방향으로 회전시키면, 리드스크류(146a)가 일방향으로 회전하여, 이동마운트(144)를 전방으로 이동시킬 수 있게 되고, 반대로 조절핸들(146b)을 타측 방향으로 회전시키면 리드스크류(146a)가 반대 방향으로 회전하게 되어 이동마운트(144)를 후방으로 이동시킬 수 있도록 구성된 것이다. 이와 같은 조작에 의해 이동마운트(144)의 전,후 방향 이동거리를 정밀하게 조절할 수 있게 되어 제1모니터(112)에 현시된 천구의 영상을 보다 정밀하게 촬영할 수 있게 된다.

또한, 상기 리드스크류(146a)에는 잠금장치(146c)가 설치되어 제1카메라(122)에 의한 촬영 도중 리드스크류(146a)가 회전되지 않도록 함으로써 이동마운트(144)를 고정시킬 수 있도록 구성되어 있다.

다음, 상기 제2고정프레임(148)은 이동마운트(144)의 상부에 연결 설치되어 제1카메라(122)가 설치될 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 좌,우 방향으로 회동이 가능하도록 설치되어 제1카메라(122)의 촬영 방향을 조절할 수 있도록 구성되어 있다.

상기와 같은 제1설치프레임(130)의 구성은 제2별센서 모의장치(200)에 포함되는 제2설치프레임(230)은 물론 후술할 영상센서 모의장치(300)에 포함되는 제3설치프레임(330)에도 동일하게 적용될 수 있다.

다음, 상기 영상센서 모의장치(300)는 위성에 탑재되는 영상센서를 모의하기 위한 것으로, 영상센서로부터 관측된 행성의 외곽선을 추출하여 위성의 고도 및 자세정보를 파악하는 영상센서 알고리듬의 검증을 위해 사용되는 것이다.

보다 상세히 설명하면, 상기 영상센서 모의장치(300)는 제3천구 시뮬레이터(310)와 영상센서 시뮬레이터 및 제3설치프레임(330)을 포함하여 구성되는데, 상기 제3천구 시뮬레이터(310)는 위성이 궤도 임무 중인 행성의 영상 또는 행성탐사 위성의 경우 위성이 통과하는 지점에서 포착되는 행성의 영상을 포함하는 천구의 이미지를 모사하기 위한 것으로, 제3모니터(312)를 포함하여 구성된다.

즉, 상기 제3모니터(312)에는 후술할 컴퓨터(500)에 의해 제공되는 행성을 포함하는 천구의 영상이 현시되는데, 상기 컴퓨터(500)는 행성을 구체로 가정하고, 임무 중인 위성의 고도 및 자세 정보와, 위성에 구비된 영상센서의 장착각 및 시야각 정보 등을 종합적으로 고려하여 제3모니터(312) 상에 행성의 영상이 현시되도록 한다.

다음, 상기 영상센서 시뮬레이터는 위성에 탑재되는 영상센서를 모의하기 위한 것으로, 전술한 제1 및 제2별센서 시뮬레이터(120,220)와 마찬가지로 제3카메라(322)와, 제3카메라(322)의 전방에 구비되는 제3렌즈(324)를 포함하여 구성되어 제3모니터(312) 상에 현시되는 행성의 영상, 즉 이미지를 촬영하고 촬영된 이미지를 컴퓨터(500)로 전송할 수 있도록 구성되어 있다.

이때, 상기 제3렌즈(324)의 경우 실제 위성의 영상 센서로 사용되는 광각 렌즈의 영향을 반영하기 위하여 시야각(FOV)이 충분히 큰 렌즈를 선정하는 것이 바람직하다.

다음, 상기 제3설치프레임(330)은 후술할 지지프레임(400) 상에 설치되어 제3천구 시뮬레이터(310)와 영상센서 시뮬레이터가 고정 설치될 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 전술한 제1설치프레임(130)과 동일한 구조로 이루어지는 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 전술한 바와 같이 구성된 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)와 영상센서 모의장치(300)를 이용하여 별센서 알고리듬 및 영상센서 알고리듬을 검증하는 개략적인 과정을 도 5에 나타내었다.

즉, 컴퓨터(500)를 이용하여 제1 내지 제3천구 시뮬레이터(110,210,310)에 구비된 제1 내지 제3모니터(112,212,312) 상에 실제로 현시된 위성의 실제 자세값을 상기와 같이 구성된 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)와 영상센서 모의장치(300)에 구비된 제1 내지 제3카메라(122,222,322)에 의해 촬영된 영상으로부터 컴퓨터(500)에 의한 연산에 의해 추정된 위성의 추정 자세값과 비교함으로써 별센서 알고리듬 및 영상센서 알고리듬의 성능을 검증할 수 있도록 구성된 것으로, 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술하기로 한다.

다음, 상기 지지프레임(400)은 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)와 영상센서 모의장치(300)를 설치할 수 있도록 하는 역할을 하는 것으로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 총 3단으로 구성되어 각각의 층에 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)와 영상센서 모의장치(300)를 각각 설치할 수 있도록 구성되어 있다.

다음, 상기 컴퓨터(500)는 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)와 영상센서 모의장치(300)에 연결 설치되어 천측항법 알고리듬의 성능을 검증하는 역할을 하는 것으로, 천측항법 알고리듬이 탑재되어 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)와 영상센서 모의장치(300)에서의 위성의 실제 자세값과 별센서 알고리듬 및 위성센서 알고리듬을 통해 추정된 위성의 자세값을 비교하여 천측항법 알고리듬을 검증하게 된다.

보다 상세히 설명하면, 상기 컴퓨터(500)는 제어부(510), 궤도연산부(520) 및 천구모의부(530)를 포함하여 구성되는데, 상기 제어부(510)는 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)와 영상센서 모의장치(300)에 각각 구비되는 제1 내지 제3모니터(112,212,312)에 별 또는 행성과 임무 중인 위성의 영상을 포함하는 천구의 영상을 표현하기 위한 프로그램을 제어함과 동시에 표현되는 내용을 실시간으로 모니터링 하는 역할을 하는 것이다.

또한, 상기 궤도연산부(520)는 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)와 영상센서 모의장치(300)에 각각 구비되는 제1 내지 제3모니터(112,212,312)에 표현되는 위성의 궤도를 연산함으로써 시간에 따른 위성의 궤도 즉, 위성의 실시간 위치를 시뮬레이션할 수 있도록 하는 역할을 하는 것이며, 상기 천구모의부(530)는 별 카탈로그 정보를 기준으로 하여 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)와 영상센서 모의장치(300)에 각각 구비되는 제1 내지 제3모니터(112,212,312)에 표현되는 별 또는 행성을 시뮬레이션 하는 역할을 하는 것이다.

이때, 상기 각 구성요소들 즉, 제어부(510), 궤도연산부(520) 및 천구모의부(530)의 정보들을 제어하기 위한 데이터 구조(Data Structure)를 별도로 구비하여 각 구성요소에서 필요한 정보들을 서로 주고받을 수 있도록 구성되어 있다.

또한, 상기 구성요소들은 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)와 영상센서 모의장치(300)에 각각 구비되는 제1 내지 제3모니터(112,212,312)에 별, 행성 및 위성의 영상을 포함하는 천구의 영상을 현시하기 위해 사용되는 것으로, 이외에도 상기 컴퓨터(500)에는 별센서 알고리듬, 영상센서 알고리듬 및 천측항법 알고리듬이 탑재되어 각 알고리듬에 의해 추정되는 위성의 고도 및 자세 정보들을 연산에 의해 확인할 수 있도록 구성됨은 물론이다.

한편, 본 발명에 따른 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치(10)를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법은 상기와 같이 구성된 시험장치(10)를 이용하여 천측항법 알고리듬을 검증하는 방법에 관한 것으로, 도 6에 나타낸 바와 같이, 별센서 알고리듬 검증단계(S100)와 영상센서 알고리듬 검증단계(S200) 및 왜곡보정단계(S300)를 포함하여 이루어진다.

보다 상세히 설명하면, 상기 별센서 알고리듬 검증단계(S100)는 위성에 탑재되는 별센서로부터 관측된 별과의 상대적인 위치로부터 임무중인 위성의 자세정보를 파악하는 별센서 알고리듬을 검증하는 단계에 관한 것으로, 이미지 획득단계(S110), 전처리 단계(S120), 후처리 단계(S130) 및 자세결정단계(S140)를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 별센서 알고리듬 검증단계(S100)는 시험장치(10) 중 제1별센서 모의장치(100)와 컴퓨터(500) 및 제2별센서 모의장치(200)와 컴퓨터(500)를 이용하여 두 번에 걸쳐 각각 수행되는 것으로, 동일한 방법을 별센서 모의장치만을 달리하여 두 번 수행하는 것이므로 이하에서는 제1별센서 모의장치(100)와 컴퓨터(500)를 이용하여 수행하는 검증단계를 기준으로 하여 설명하기로 한다.

먼저, 상기 이미지 획득단계(S110)는 제1별센서 시뮬레이터(120)에 구비되는 제1렌즈(124)를 포함하는 제1카메라(122)를 이용하여 컴퓨터(500)에 의해 제1천구 시뮬레이터(110)에 구비되는 제1모니터(112) 상에 현시된 천구의 이미지, 즉 다수의 별과 임무 중인 위성을 포함하는 천구의 이미지를 촬영하여 컴퓨터(500)로 전송하는 단계에 관한 것이다.

이때, 제1설치프레임(130)에 구비된 제1고정프레임(134b)의 높이를 조절하여 제1모니터(112)의 중심부 높이와 제1카메라(122)의 제1렌즈(124) 중심부 높이를 일치시킨 상태에서, 제1카메라(122)의 초점거리와 제1모니터(112)의 시야각을 고려하여 조절핸들(146b)을 회전시켜 이동마운트(144)를 이동시킴으로써 제1모니터(112)와 제1렌즈(124) 사이의 거리를 조절한 후 이미지를 촬영하게 된다.

또한, 상기 제1카메라(122)에 의해 촬영되는 이미지는 흑백으로 촬영하며, 칼라 이미지가 획득되는 경우 흑백 이미지로 변환시키는 과정을 추가한다.

다음, 상기 전처리 단계(S120)는 컴퓨터(500)를 이용하여 이미지 획득단계(S110)에서 획득된 이미지에 포함된 별들의 위치를 특정하는 단계에 관한 것으로, 노이즈 제거단계(S122), 필터링 단계(S124), 레이블링 단계(S126) 및 중심점 추출단계(S128)를 포함하여 이루어진다.

보다 상세히 설명하면, 상기 노이즈 제거단계(S122)는 이미지 획득단계(S110)에서 획득된 이미지에 포함된 노이즈를 제거하기 위한 단계로, 스레스홀딩 작업을 통해 노이즈를 제거하고 흑백이미지에서 밝은 부분을 검출해낸다.

다음, 상기 필터링 단계(S124)는 노이즈가 제거된 이미지에 가우시안 필터를 적용하여 불연속적인 별의 픽셀 값을 종 모양 곡선과 같이 연속적인 형태로 변환시키는 단계에 관한 것으로, 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이, 가우시안 필터를 적용시킬 경우 불연속적인 별의 픽셀 값들을 연속적으로 변화시킬 수 있게 된다.

다음, 상기 레이블링 단계(S126)는 필터링 단계(S124)에서 연속적으로 필터링된 이미지를 레이블링을 통해 인접한 밝기를 갖는 픽셀끼리 그룹화시키는 단계에 관한 것이고, 상기 중심점 추출단계(S128)는 그룹화된 별들에 무게중심법을 적용시켜 각 그룹의 중심점을 추출함으로써 별의 위치를 특정할 수 있도록 하는 단계에 관한 것이다.

이때, 상기 무게중심법은 각 픽셀 좌표에 픽셀 값을 가중치로 부여한 평균값을 중심점으로 택하는 방법으로, 픽셀값을

라 하고, 중심점 좌표는 각각

라 하며, 픽셀의 좌표를

라 할 경우, 중심점(

)는 다음의 (3)식에 의해 나타낼 수 있다.

...(3)

다음, 상기 후처리 단계(S130)는 전처리 단계(S120)에서 특정된 별들의 위치를 이용하여 별자리를 인식하는 단계에 관한 것으로, 후처리 단계(S130)에서는 별 카탈로그에 기재된 패턴과의 비교를 통해 최종적으로 별자리를 인식하게 된다.

이때, 별자리 인식은 그리드 알고리듬을 통해 수행될 수 있는데, 도 7 (b)의 좌측 그림과 같은 이미지가 획득된 경우 화면의 중심에 가까운 별을 피봇 스타(pivot star)로 선정하고, 그에 가장 가까운 별이 x축 상에 위치되도록 시야각 내부에 있는 별들을 모두 회전시켜 도 7 (b)의 우측 그림과 같이 각 별마다 기준이 되는 모양으로 변환시킨다.

그 후, 도 7의 (c)에 나타낸 바와 같이, 가로 및 세로 방향으로 일정 그리드를 그려 별자리의 패턴을 1차적으로 인식하고, 1차적으로 인식된 이미지를 컴퓨터(500)에 저장된 별 카탈로그에 포함된 별자리들과의 비교를 통해 최종적으로 일치하는 별자리를 인식함으로써 촬영된 이미지에 포함된 별자리를 확인할 수 있게 되는 것이다.

다음, 상기 자세결정단계(S140)는 전술한 후처리 단계(S130)에서 인식된 별자리와, 그에 해당되는 별 카탈로그 정보를 이용하여 위성의 자세를 결정하는 단계에 관한 것으로, 별 센서 좌표계에 대한 별의 방향 벡터와, 식별한 별의 천구에 대한 위치 벡터를 이용하여 지구관성좌표계에서 위성의 상대 자세를 결정한다.

즉, 별 센서 좌표계에서 측정된 별 벡터들과 별 카탈로그로부터의 지구 관성좌표계에 대한 별들의 위치 벡터가 동일하도록 만드는 방향코사인 행렬을 구함으로써 위성의 상대 자세를 결정할 수 있는데, 지구관성좌표계, 즉 기준좌표계에서의 단위 벡터를

벡터라 하고, 별센서의 시선 단위 벡터를

벡터라 할 때, 방향코사인 행렬 A는 Triad 알고리듬을 적용시킬 경우 다음과 같이 나타낼 수 있다.

... (4)

이때, 상기 Triad 알고리듬은 두 개의 별 벡터를 이용하여 위성의 자세를 결정할 수 있도록 하는 알고리듬으로, 이 방법을 통해 방향코사인 행렬 A를 구하면 계산이 간단하여 빠른 자세 결정이 가능해진다.

즉, 기준좌표계에서의 단위 벡터를 나타내는

의 경우 별 카탈로그에 기재된 해당 별의 적경과 적위로부터 구할 수 있고, 별센서의 시선 단위 벡터(star unit vector)

의 경우 도 7의 (d)에 나타낸 그림으로부터

와

로부터 구할 수 있으므로,

과

를 이용하여 방향코사인 행렬 A를 구함으로써 위성의 자세에 대한 롤, 피치 및 요각을 구할 수 있게 된다.

보다 상세히 설명하면, 제1별센서 모의장치(100)에 의해 현시된 별과, 제2별센서 모의장치(200)에 의해 현시된 별을 이용할 경우, 각각의 별의 x,y,z좌표를 알 수 있으므로, 미지수 3개를 포함하는 2개의 행렬식을 얻을 수 있는데, 정규직교(orthogonal)의 특성을 이용할 경우, 각각 3×1 행렬로 이루어지는

과

를 이용하여 3×3 크기의 행렬로 표현되는 방향코사인 행렬 A를 구할 수 있게 되는 것이다.

따라서, 상기와 같은 과정에 의해 별센서 알고리듬을 통해 위성의 자세를 연산할 수 있게 되고, 이를 제1모니터(112)에 현시된 위성의 실제 자세값과 비교함으로써 별센서 알고리듬을 검증할 수 있게 되는 것이다.

다음, 상기 영상센서 알고리듬 검증단계(S200)는 영상센서 모의장치(300)와 이에 연결 설치된 컴퓨터(500)를 이용하여 위성에 탑재되는 영상센서로부터 관측된 행성의 외곽선을 추출하여 위성의 고도 및 자세정보를 파악하는 영상센서 알고리듬을 검증하기 위한 단계에 관한 것으로, 행성 이미지 획득단계(S210), 영상처리단계(S220), 중심점 및 반경 산출단계(S230) 및 고도 및 자세 결정단계(S240)를 포함하여 이루어진다.

보다 상세히 설명하면, 상기 행성 이미지 획득단계(S210)는 영상센서 시뮬레이터를 구성하는 제3카메라(322)를 이용하여 제3천구 시뮬레이터(310)의 제3모니터(312)에 현시된 행성의 이미지를 촬영하여 컴퓨터(500)로 전송하는 단계에 관한 것이다.

이때에도, 전술한 이미지 획득단계(S110)에서와 마찬가지로 적절한 행성 이미지의 획득을 위해 제3설치프레임(330)에 구비된 제1고정프레임(134b)의 높이를 조절하여 제3모니터(312)의 중심부 높이와 제3카메라(322)의 제3렌즈(324) 중심부 높이를 일치시킨 상태에서, 제3카메라(322)의 초점거리와 제3모니터(312)의 시야각을 고려하여 조절핸들(146b)을 회전시켜 이동마운트(144)를 이동시킴으로써 제3모니터(312)와 제3렌즈(324) 사이의 거리를 조절한 후 이미지를 촬영하게 된다.

다음, 상기 영상처리단계(S220)는 컴퓨터(500)를 이용하여 행성 이미지 획득단계(S210)에서 획득된 이미지를 영상 처리 알고리듬을 통해 행성의 외곽선을 추출한 후 외곽선의 곡률을 인식하는 단계에 관한 것이다.

즉, 영상센서의 경우 행성의 외곽선만으로 원하는 정보 즉, 행성의 중심 및 크기를 얻을 수 있고, 이를 통해 행성의 수평면 정보, 위성의 자세 및 고도 정보를 알 수 있게 된다.

이때, 상기 영상 처리 알고리듬은 컴퓨터(500)에 내장된 프로그램으로 제3카메라(322)에 의해 촬영되어 전송된 행성의 영상에서 외곽선을 추출한 후 이를 픽셀화하여 곡률을 인식할 수 있도록 구성되어 있다.

다음, 상기 중심점 및 반경 산출단계(S230)는 영상처리단계(S220)에서 처리된 이미지, 즉 행성의 외곽선 이미지를 이용하여 행성의 중심점과 반경을 구하는 단계에 관한 것으로, 이를 위해 최소자승법 알고리듬 및 최적화 알고리듬을 사용한다.

보다 상세히 설명하면, 상기 최소자승법 알고리듬은 픽셀화된 행성의 외곽선 이미지를 이용하여 가장 적합한 곡선을 그림으로써 원, 즉 행성의 중심좌표와 반경을 구할 수 있도록 하는 것으로 다음과 같은 과정에 의해 이루어진다.

... (5)

즉, 각 외곽선 이미지가 포함된 픽셀들을 상기 식과 같이 표현할 경우, 최소자승법에 따라

를

,

에 따라 편미분하면 다음과 같은 식으로 정리할 수 있다.

... (6)

상기 (6)식을 다시 정리하면, 임의의 원의 중심좌표와 원의 반경을 도출할 수 있는 식을 다음과 같이 얻을 수 있다.

... (7)

따라서, 상기 (7)식을 영상처리단계(S220)에서 처리된 행성의 외곽선 이미지에 적용시킬 경우 행성의 중심점 좌표와 반경을 구할 수 있게 된다.

다음, 행성의 중심점과 반경은 SQP(Sequential Quadratic Programming) 기법을 통해 최적화될 수 있는데, 상기 SQP 기법은 최적화 변수의 탐색 방향을 찾고 반복적으로 목적함수가 최소화될 때까지 개선하는 방법으로 매우 효과적이며 빠른 수렴성을 갖는 장점이 있다.

즉, 상기 SQP 기법은 아래 수식에 의해 정의될 수 있는데,

... (7)

여기서 a는 원의 중심 x좌표, b는 원의 중심 y좌표, r은 원의 반경을 의미한다.

이때, 행성의 이미지를 촬영하는 제3렌즈(324)의 스펙과, 실제 행성의 크기를 고려하여 a, b, r에 대한 구속 조건을 설정할 경우 보다 빠르고 정확한 결과 즉, 행성의 중심점과 반경을 도출할 수 있게 된다.

다음, 상기 고도 및 자세 결정단계(S240)는 중심점 및 반경 산출단계(S230)에서 산출된 행성의 중심점과 반경을 이용한 컴퓨터(500) 연산에 의해 위성의 고도 및 자세를 결정하는 단계에 관한 것으로, 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 행성의 크기와 상의 크기와의 관계를 이용한다.

... (8)

즉, 상기 (8)식에 의해 행성의 크기와 상의 크기와의 기하학적 관계를 이용하여 위성의 고도를 구하는 방정식을 유도할 수 있으므로, 특정고도에서의 상의 크기에 대한 데이터베이스를 만들 수 있다.

또한, 위성에서 행성을 촬영할 경우 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 고도의 변화에 따라 상의 크기가 변화한다.

따라서, 위성의 고도에 따른 상의 크기에 대한 데이터베이스와 상기 중심점 및 반경 산출단계(S230)에서 구한 행성의 반경을 비교하여 위성의 고도를 결정할 수 있게 된다.

그리고, 도 8의 (c)에 나타낸 바와 같이, 위성의 자세에 따라 상의 위치가 변하게 되는데, 이러한 현상 및 위성의 고도와 중심점 및 반경 산출단계(S230)에서 구한 행성의 중심점 정보를 이용할 경우 위성의 자세를 결정할 수 있게 된다.

다음, 상기 왜곡보정단계(S300)는 컴퓨터(500)를 이용하여 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)와 영상센서 모의장치(300)에 의해 발생되는 왜곡 현상들을 보정함으로써 알고리듬 검증의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 함과 동시에 위성 자세 결정의 정확성을 향상시킬 수 있도록 하기 위한 단계에 관한 것으로, 렌즈왜곡 보정단계(S310)와 정렬왜곡 보정단계(S320)를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 렌즈왜곡 보정단계(S310)는 카메라(122,222,322)의 내부 파라미터 즉, 초점거리, 중심점 등에 의해 발생되는 왜곡 및 렌즈(124,224,324)에 의해 발생되는 축방향 왜곡이나 접선 방향 왜곡 등을 보정하는 단계에 관한 것으로, 체스보드 촬영단계(S312), 왜곡계수 산출단계(S314), 오차판별단계(S316) 및 보정단계(S318)를 포함하여 이루어진다.

보다 상세히 설명하면, 상기 체스보드 촬영단계(S312)는 체스판과 같이 등간격의 패턴이 일정하게 형성된 체스보드를 준비하여 제1 내지 제3카메라(122,222,322)로 각각 촬영하여 컴퓨터(500)로 전송하는 단계에 관한 것으로, 체스보드와 같은 등간격의 패턴은 왜곡이 발생하였을 때 왜곡이 일어난 정도를 쉽게 식별할 수 있는 장점이 있다.

다음, 상기 왜곡계수 산출단계(S314)는 촬영된 체스보드의 이미지 중 왜곡이 포함된 점의 좌표와 왜곡이 포함되지 않은 점의 좌표를 이용하여 왜곡계수를 산출하는 단계에 관한 것으로, 제1 내지 제3카메라(122,222,322)에 의해 촬영된 이미지에서 왜곡이 포함된 점의 좌표를 구하고, 제1 내지 제3카메라(122,222,322)와 체스보드에 포함된 등간격 패턴의 기하학적 관계를 이용하여 왜곡이 포함되지 않은 점의 좌표를 구하여 두 점 사이의 관계에 의해 왜곡계수를 산출할 수 있게 된다.

다음, 상기 오차판별단계(S316)는 왜곡계수에 의해 추정된 왜곡된 좌표가 허용오차 범위 이내인지를 판별하는 단계에 관한 것으로, 제1 내지 제3카메라(122,222,322)에 의해 촬영된 왜곡이 포함된 점의 좌표와, 왜곡이 포함되지 않은 점의 좌표에 왜곡계수를 적용하여 왜곡시킨 점의 좌표를 서로 비교함으로써 둘의 차이가 허용오차 범위 이내인지를 판별하게 된다.

이때, 도 9에 나타낸 바와 같이, 좌표의 차이가 허용오차 범위를 초과한 경우에는 왜곡계수를 다시 선정하여 허용오차 범위 이내가 될 때까지 반복적으로 판별하고, 좌표의 차이가 허용오차 범위 이내가 될 경우, 적용된 왜곡계수를 최종적으로 선정하게 되는데, 이와 같은 작업은 최적화 기법이나 최소자승법 등을 이용하여 수행될 수 있다.

다음, 상기 보정단계(S318)는 오차판별단계(S316)에서 선정된 왜곡계수를 이용하여 왜곡이 포함된 점의 좌표를 보정하는 단계에 관한 것으로, 제1 내지 제3카메라(122,222,322)에 의해 촬영된 왜곡이 포함된 점들의 좌표를 오차판별단계(S316)를 통해 선정된 왜곡계수를 적용하여 일일이 보정함으로써 렌즈왜곡에 의한 오차 발생을 최소화시킬 수 있도록 구성되어 있다.

한편, 상기 정렬왜곡 보정단계(S320)는 제1 및 제2별센서 모의장치(100,200)와 영상센서 모의장치(300)에 각각 구비되는 제1 내지 제3천구 시뮬레이터(110,210,310)와 별센서 시뮬레이터(120,220) 또는 영상센서 시뮬레이터(320) 사이의 정렬문제에 의해 발생되는 정렬왜곡을 보정하기 위한 단계에 관한 것이다.

즉, 실제 위성에 탑재된 별센서 또는 영상센서로 들어오는 별빛 등은 항상 평행하게 들어오는데, 이를 정확히 재현하기 위해서는 제1 내지 제3카메라(122,222,322)의 이미지 평면과 제1 내지 제3모니터(112,212,312)의 평면이 서로 일치하여야 하는데, 실질적으로 이를 정확히 맞추기가 불가능하므로 도 10에 나타낸 바와 같이 정렬 오차가 발생하게 된다.

따라서, 이러한 정렬오차에 의한 왜곡을 보정하기 위한 단계가 필요한데, 상기 정렬왜곡 보정단계(S320)는 투영왜곡 보정단계(S322)와 시프트 에러 보정단계(S324)를 포함하여 이루어진다.

보다 상세히 설명하면, 상기 투영왜곡 보정단계(S322)는 제1 내지 제3카메라(122,222,322)의 이미지 평면과 제1 내지 제3모니터(112,212,312)의 평면이 서로 평행하지 않아 생기는 평행오차에 의해 발생되는 투영 왜곡을 보정하기 위한 단계에 관한 것으로, 투영변환을 이용한다.

즉, 도 10에서 x축과 y축의 회전에 의해 정렬왜곡이 발생했을 때는 패턴의 형태가 변형되지만, z축의 회전에 의해서는 패턴의 형태가 변형되지 않는 점을 이용하여 z축에 대한 회전을 0으로 가정한다면, x축과 y축에 대한 회전각 조합만으로 투영변환하여 변형된 패턴을 복원할 수 있다.

... (9)

여기서,

는 왜곡이 없는 normalized image plane의 좌표이고,

는 투영왜곡이 있는 영상 평면의 좌표이다.

방향 코사인 행렬(DCM)

은 다음과 같이 표현될 수 있는데, 이때

는 각각 x, y, z축에 대한 회전각을 나타낸다.

...(10)

그리고, 최적화 알고리듬을 이용하여 다음의 목적함수를 최소화하는 최적화 변수

를 찾으면 방향 코사인 행렬

을 구할 수 있게 되므로, 투영왜곡을 보정할 수 있게 된다.

... (11)

다음, 상기 시프트 에러 보정단계(S324)는 제1 내지 제3카메라(122,222,322)의 이미지 평면의 중심과 제1 내지 제3모니터(112,212,312) 평면의 중심이 일치하지 않아 생기는 시프트 에러(shift error)를 보정하는 단계에 관한 것으로, 투영왜곡에 대한 보정이 완성된 패턴의 중심과 영상 평면의 중심 사이의 거리 만큼 모든 점들을 평행이동 시켜주는 간단한 과정에 의해 제1 내지 제3카메라(122,222,322)에 의한 영상 평면의 중심과 제1 내지 제3모니터(112,212,312) 평면의 중심을 일치시킬 수 있게 된다.

따라서, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치(10) 및 이를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법에 의하면, 단순한 구성에 의해 위성의 천측항법에 사용되는 별센서와 영상센서를 모사할 수 있도록 함으로써 위성 항법 알고리듬의 주요 요소인 별센서 알고리듬과 영상센서 알고리듬을 검증하고, 이를 이용하여 위성의 천측항법 알고리듬을 검증할 수 있을 뿐만 아니라, 단순한 구성에 의해 경제적으로 제작이 가능하면서도 천측항법 알고리듬 검증의 정밀도를 향상시킬 수 있는 등의 다양한 장점을 갖는 것이다.

전술한 실시예들은 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.

10 : 시험장치 100 : 제1별센서 모의장치
110 : 제1천구 시뮬레이터 112 : 제1모니터
120 : 제1별센서 시뮬레이터 122 : 제1카메라
124 : 제1렌즈 130 : 제1설치프레임
132 : 지지부 132a : 높이조절구
134 : 제1천구 시뮬레이터 설치부 134a : 지지대
134b : 제1고정프레임 140 : 제1별센서 시뮬레이터 설치부
142 : 고정마운트 144 : 이동마운트
146 : 구동부 146a : 리드스크류
146b : 조절핸들 146c : 잠금장치
148 : 제2고정프레임 200 : 제2별센서 모의장치
210 : 제2천구 시뮬레이터 212 : 제2모니터
220 : 제2별센서 시뮬레이터 222 : 제2카메라
224 : 제2렌즈 230 : 제2설치프레임
300 : 영상센서 모의장치 310 : 제3천구 시뮬레이터
312 : 제3모니터 320 : 영상센서 시뮬레이터
322 : 제3카메라 324 : 제3렌즈
330 : 제3설치프레임 400 : 지지프레임
500 : 컴퓨터 510 : 제어부
520 : 궤도연산부 530 : 천구모의부
S100 : 별센서 알고리듬 검증단계 S110 : 이미지 획득단계
S120 : 전처리 단계 S122 : 노이즈 제거단계
S124 : 필터링 단계 S126 : 레이블링 단계
S128 : 중심점 추출단계 S130 : 후처리 단계
S140 : 자세결정단계 S200 : 영상센서 알고리듬 검증단계
S210 : 행성 이미지 획득단계 S220 : 영상처리단계
S230 : 중심점 및 반경 산출단계 S240 : 고도 및 자세 결정단계
S300 : 왜곡보정단계 S310 : 렌즈 왜곡 보정단계
S312 : 체스보드 촬영단계 S314 : 왜곡계수 산출단계
S316 : 오차 판별단계 S318 : 보정단계
S320 : 정렬왜곡 보정단계 S322 : 투영 왜곡 보정단계
S324 : 시프트 에러 보정단계

Claims

위성에 탑재되는 별센서로부터 관측된 별과의 상대적인 위치로부터 위성의 자세정보를 파악하는 별센서 알고리듬의 검증을 위한 제1 및 제2별센서 모의장치와,
위성에 탑재되는 영상센서로부터 관측된 행성의 외곽선을 추출하여 위성의 고도 및 자세정보를 파악하는 영상센서 알고리듬의 검증을 위한 영상센서 모의장치와,
상기 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치가 설치되는 지지프레임 및
상기 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 연결 설치되고, 천측항법 알고리듬이 탑재되어 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에서의 위성의 실제 자세값과, 별센서 알고리듬 및 영상센서 알고리듬을 통해 추정된 위성의 자세값의 비교를 통해 천측항법 알고리듬의 성능을 검증하는 컴퓨터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치.
제 1항에 있어서,
상기 제1 및 제2별센서 모의장치는 별을 포함하는 천구를 모사하는 제1 및 제2천구 시뮬레이터와, 천구의 이미지를 획득하여 위성의 자세를 결정할 수 있도록 하는 제1 및 제2별센서 시뮬레이터 및 상기 제1 및 제2천구 시뮬레이터와 제1 및 제2별센서 시뮬레이터가 설치되는 제1 및 제2설치프레임을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치.
제 2항에 있어서,
상기 제1 및 제2천구 시뮬레이터는 위성의 자세와 별센서의 장착각을 고려하여 별과 위성을 포함하는 천구를 모사하여 현시하는 제1 및 제2모니터를 포함하여 구성되고, 상기 별은 별 카탈로그의 적경, 적위 및 겉보기 등급을 사용하여 제1 및 제2모니터 상에 표시되는 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치.
제 3항에 있어서,
상기 별은 겉보기 등급을 크기로 환산하여 제1 및 제2모니터 상에 현시되고, 제1 및 제2모니터 상에서의 위성의 움직임은 천구를 회전시키는 방법에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치.
제 2항에 있어서,
상기 제1 및 제2별센서 시뮬레이터는 별센서를 모의하여 천구를 촬영하는 제1 및 제2카메라와, 상기 제1 및 제2카메라의 전방에 구비되는 제1 및 제2렌즈를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치.
제 5항에 있어서,
상기 제1 및 제2카메라는 전,후 이동이 가능하고, 촬영 방향을 조정할 수 있도록 설치된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치.
제 2항에 있어서,
상기 제1설치프레임은 지지프레임 상에 안치되는 지지부와, 상기 지지부의 일측 상부에 설치되어 제1천구 시뮬레이터가 설치될 수 있도록 하는 제1천구 시뮬레이터 설치부 및 상기 지지부의 타측 상부에 설치되어 제1별센서 시뮬레이터가 설치될 수 있도록 하는 제1별센서 시뮬레이터 설치부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치.
제 7항에 있어서,
상기 지지부의 하부에는 제1설치프레임의 수평 조절을 위한 다수 개의 높이 조절구가 구비된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치.
제 7항에 있어서,
상기 제1천구 시뮬레이터 설치부는 지지부 상에 수직으로 설치되는 지지대와, 상기 지지대에 상,하로 이동 가능하도록 연결 설치되어 제1천구 시뮬레이터의 제1모니터가 고정 설치될 수 있도록 하는 제1고정프레임을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치.
제 7항에 있어서,
상기 제1별센서 시뮬레이터 설치부는 지지부의 상부에 고정 설치되는 고정마운트와, 상기 고정마운트의 상부에 전,후로 이동 가능하도록 연결 설치되는 이동마운트와, 상기 이동마운트에 연결 설치되어 이동마운트를 전,후로 이동시키는 구동부 및 상기 이동마운트의 상부에 좌,우 방향으로 회동 가능하도록 연결 설치되어 제1별센서 시뮬레이터를 구성하는 제1카메라 고정 설치될 수 있도록 하는 제2고정프레임을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치.
제 10항에 있어서,
상기 구동부는 일측 단부가 이동마운트에 연결 설치되어 회전에 의해 이동마운트를 전,후 방향으로 이동시키는 리드스크류와, 상기 리드스크류의 타측 단부에 구비되어 사용자의 조작에 의해 리드스크류를 회전시킬 수 있도록 하는 조절핸들 및 리드스크류에 설치되어 리드스크류의 회전을 제한하는 잠금장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치.
제 1항에 있어서,
상기 영상센서 모의장치는 위성이 궤도 운동 중인 행성을 포함하는 천구의 영상을 도시하는 제3모니터를 포함하여 구성되는 제3천구 시뮬레이터와, 상기 제3모니터 상에 도시된 행성의 영상을 촬영하는 제3렌즈가 구비된 제3카메라를 포함하여 구성되는 영상센서 시뮬레이터 및 상기 제3천구 시뮬레이터와 영상센서 시뮬레이터가 설치되는 제3설치프레임을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치.
제 1항에 있어서,
상기 컴퓨터는 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 별 또는 행성을 포함하는 천구의 영상을 표현하기 위한 프로그램을 제어하고 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 표현되는 내용을 실시간으로 모니터링 하는 제어부와,
제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 표현되는 위성의 궤도를 시뮬레이션할 수 있도록 연산하는 궤도연산부 및
제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 표현되는 별 또는 행성을 시뮬레이션 하는 천구 모의부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치.
위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법에 있어서,
제1 및 제2별센서 모의장치를 이용하여 위성에 탑재되는 별센서로부터 관측된 별과의 상대적인 위치로부터 위성의 자세정보를 파악하는 별센서 알고리듬을 검증하는 별센서 알고리듬 검증단계와,
영상센서 모의장치를 이용하여 위성에 탑재되는 영상센서로부터 관측된 행성의 외곽선을 추출하여 위성의 고도 및 자세정보를 파악하는 영상센서 알고리듬을 검증하는 영상센서 알고리듬 검증단계 및
상기 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 의해 발생되는 왜곡현상을 보정하기 위한 왜곡 보정단계를 포함하여 구성되되,
상기 영상센서 알고리듬 검증단계는,
영상센서 모의장치에 구비되는 제3카메라를 이용하여 제3천구 시뮬레이터의 제3모니터에 현시된 행성의 이미지를 촬영하는 행성 이미지 획득단계와,
상기 행성 이미지 획득단계에서 획득된 이미지를 영상 처리 알고리듬을 통해 행성의 외곽선을 추출한 후 외곽선의 곡률을 인식하는 영상처리단계와,
상기 영상처리단계에서 처리된 이미지를 이용하여 행성의 중심점과 반경을 구하는 중심점 및 반경 산출단계 및
상기 중심점 및 반경 산출단계에서 산출된 행성의 중심점과 반경을 이용하여 위성의 고도 및 자세를 결정하는 고도 및 자세 결정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법.
제 14항에 있어서,
상기 별센서 알고리듬 검증단계는,
제1 및 제2별센서 모의장치에 구비되는 제1 및 제2카메라를 이용하여 제1 및 제2천구 시뮬레이터의 제1 및 제2모니터에 현시된 천구의 이미지를 촬영하는 이미지 획득단계와,
상기 이미지 획득단계에서 획득된 이미지에 포함된 별들의 위치를 특정하기 위한 전처리 단계와,
상기 전처리 단계에서 특정된 별들의 위치를 이용하여 별자리를 인식하는 후처리 단계 및
상기 후처리 단계에서 인식된 별자리와 그에 해당되는 별 카탈로그 정보를 이용하여 위성의 자세를 결정하는 자세결정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법.
제 15항에 있어서,
상기 전처리 단계는,
스레스홀딩 작업을 통해 이미지 획득단계에서 획득된 이미지에 포함된 노이즈를 제거하는 노이즈 제거단계와,
노이즈가 제거된 이미지에 가우시안 필터를 적용시켜 불연속적인 별의 픽셀값을 연속적으로 변환시키는 필터링 단계와,
상기 필터링 단계에서 필터링된 이미지를 레이블링을 통해 인접한 밝기를 갖는 픽셀끼리 그룹화시키는 레이블링 단계 및
그룹화된 별들에 무게중심법을 적용시켜 중심점을 추출하는 중심점 추출단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법.
제 16항에 있어서,
상기 후처리 단계에서는 중심점이 추출된 별들에 대해 그리드 알고리듬을 수행하여 별자리의 패턴을 인식한 후, 이를 별 카탈로그의 패턴과 비교하여 최종적으로 별자리를 인식하는 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법.
삭제
제 14항에 있어서,
상기 중심점 및 반경 산출단계에서는 최소자승법 알고리듬을 통해 영상처리단계에서 처리된 이미지에 포함된 픽셀의 점들을 이용하여 행성의 중심 및 반경을 도출하고, SQP(Sequential Quadratic Programming)기법을 통해 도출된 행성의 중심 및 반경을 최적화시키는 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법.
제 14항에 있어서,
상기 왜곡 보정단계는,
제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치의 제1 내지 제3카메라에 각각 구비되는 제1 내지 제3렌즈에 의해 발생되는 렌즈왜곡을 보정하는 렌즈왜곡 보정단계와,
상기 제1 및 제2별센서 모의장치와 영상센서 모의장치에 각각 구비되는 제1 내지 제3천구 시뮬레이터와 별센서 시뮬레이터 또는 영상센서 시뮬레이터 사이의 정렬문제에 의해 발생되는 정렬왜곡을 보정하는 정렬왜곡 보정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법.
제 20항에 있어서,
상기 렌즈왜곡 보정단계는,
등간격의 패턴이 일정하게 형성된 체스보드를 준비하여 제1 내지 제3카메라로 각각 촬영하는 체스보드 촬영단계와,
촬영된 체스보드의 이미지 중 왜곡이 포함된 점의 좌표와 왜곡이 포함되지 않은 점의 좌표를 이용하여 왜곡계수를 산출하는 왜곡계수 산출단계 및
왜곡이 포함된 점의 좌표와 왜곡이 포함되지 않은 점의 좌표에 왜곡계수를 적용하여 왜곡시킨 점의 좌표의 비교를 통해 오차가 허용범위 이내인지를 판별하는 오차판별단계 및
상기 오차판별단계에서의 판별된 오차가 허용범위 이내인 경우 왜곡계수 산출단계에서 산출된 왜곡계수를 이용하여 왜곡이 포함된 점의 좌표를 보정하는 보정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법.
제 20항에 있어서,
상기 정렬왜곡 보정단계는,
투영변환을 통해 상기 제1 내지 제3천구 시뮬레이터에 구비되는 제1 내지 제3모니터의 평면과, 제1 내지 제3카메라에 의해 촬영되는 이미지 평면 사이의 평행오차에 의해 발생되는 투영왜곡을 보정하는 투영왜곡 보정단계와,
평행이동을 통해 상기 제1 내지 제3모니터의 평면과, 제1 내지 제3카메라에 의해 촬영되는 이미지 평면의 중심 사이의 오차에 의한 시프트 에러(shift error)를 보정하는 시프트 에러 보정단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 위성의 천측항법 알고리듬 검증을 위한 시험장치를 이용한 천측항법 알고리듬 검증방법.