KR101789188B1

KR101789188B1 - 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템

Info

Publication number: KR101789188B1
Application number: KR1020160057702A
Authority: KR
Inventors: 이판묵; 심형원; 김방현; 백혁; 박진영; 전봉환; 유승열
Original assignee: 한국해양과학기술원
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2017-10-24

Abstract

본 발명에 따르는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템은 음향 펄스를 생성하고, 내장된 관성 센서에서 측정된 본체의 가속도 및 각속도 데이터와 모선의 위치 정보를 이용하여 상기 모선과의 거리가 추정되며, 상기 모선의 USBL 트랜시버에서 측정된 본체의 위치 데이터에 랜덤 노이즈를 추가하여 수중 통합 항법 데이터의 오차를 보정하는 수중 이동체; 및 상기 생성된 음향 펄스를 수신하여 상기 수중 이동체의 수중 3차원 상대 위치를 측정하여 상기 수중 이동체 본체의 상기 위치 데이터에 대한 USBL 신호를 상기 수중 이동체에 전송하는 상기 모선;을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 시간 경과에 따라 오차가 누적되는 관성 센서만을 이용하는 경우나 신호수신 불량이 자주 발생하고 각도 분해능이 일정하여 측정 거리가 증가함에 따라 오차가 증가하는 USBL의 단점을 극복하게 되어 수중 항법 추적 시스템의 정밀도가 향상되게 된다.

Description

수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템{An underwater integrated navigation system for tracking underwater moving objects}

본 발명은 수중 통합 항법 시스템에 관한 것으로, 특히 수중 이동체의 거리 및 절대 위치 환산과 함께 확장 칼만 필터 및 각종 보조 센서들을 통합 이용하여 초음파 위치측정장치 신호의 측정값을 보정하고, 수중 이동체의 이동과 음향신호 전달시간지연에 따른 위치 측정 오차를 보정하여 수중 이동체의 위치를 정확하게 추적함으로써, 관성 센서만을 이용하는 경우나 종래의 초음파 위치 추적 장치의 단점을 극복하여 수중 항법 추적 정밀도를 향상시킬 수 있는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 수중 이동체에는 대표적으로 원격 조종 무인 잠수정(Remotely Operated Vehicle, ROV)과 자율 무인 잠수정(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)이 있으며, 과학탐사나 수중 관찰 목적으로 사람이 승선하는 유인 잠수정이 있다.

이들의 위치추적에 USBL(Ultra-Short Base Line), LBL(long Base Line), SBL(Short Base Line) 등의 초음파 위치 추적 시스템(Acoustic Positioning System)이 일반적으로 사용되고 있다.

그 중에서 LBL은 정밀 위치 측정이 가능하나, 다수의 트랜스듀서를 해저면에 설치해야 하는 번거로움이 있고, 트랜스듀서가 설치된 해역 내에서만 위치 측정이 가능한 한계가 있다.

SBL은 선박에 트랜스듀서를 세 개 이상 설치하여 측정하므로 운용 해역에 제한이 없으나 수중 이동체의 거리가 멀어짐에 따라 측정 오차가 커지는 단점이 있고 센서를 설치할 수 있는 선박이 반드시 필요한 한계가 있다.

USBL은 하나의 센서에 4 개의 트랜시버를 설치하여 수신 신호의 방위각과 거리를 측정하여 수중 3차원 위치를 측정하는 방법으로서, SBL 및 LBL에 비해 시스템이 단순하고, 선상에서 위치 모니터링이 가능하며, 운용 해역에 제한이 없고 설치가 용이한 장점이 있으나, 외부 잡음에 민감하여 아웃라이어(Outlier), 즉 신호수신 불량이 자주 발생하고 각도 분해능이 일정하여 측정 거리가 증가함에 따라 오차가 증가하는 단점이 있다.

이와 같은 초음파 위치 추적 장치는 수중 음향 신호의 전달 지연 시간을 측정하여 거리를 환산하는 방법이므로, 이동체의 거리가 멀어짐에 따라 위치 측정 시간이 비례하여 증가하는 특성이 있다.

수백 m 범위의 수중 물체 위치 측정은 1초 샘플링이 가능하나, 거리가 증가함에 따라 샘플링 간격이 길어져, 6000 m 거리 물체의 위치 측정은 시스템에 따라 8~20초 시간 간격으로 위치 신호를 얻게 된다.

관성 센서를 기반으로 하는 항법 시스템은 내장된 관성 센서만을 이용하여 위치 및 자세를 추정하는 장점이 있으나, 시간 경과에 따라 오차가 누적되는 특성이 있으므로 보조 신호가 반드시 필요하다.

수중 항법 시스템에 있어서, 일반적으로 관성 센서를 기반으로 속도 또는 초음파 위치 추적 장치의 위치 측정신호를 융합하거나, 지형 대조 또는 수학 모델을 보조 정보로 이용하는 방법 등 다양한 통합 항법 기술이 개발되고 있다.

통합 항법 시스템의 위치 추정을 위한 기법으로 칼만 필터(Kalman filter)를 비롯하여, 확장 칼만 필터, 시그마-포인트 칼만 필터, 파티클 필터 등 다양한 비선형 필터링 기법이 개발되어 활용되고 있다.

USBL 위치 측정은 수중 이동체의 거리가 멀어짐에 따라 측정 정밀도가 증가하여, 현재 운용하고 있는 USBL의 정밀도는 거리(slant range)의 3 %~0.2 % rms 오차를 갖고 있다.

따라서, 6,000 m 거리의 물체는 0.3 % 오차를 갖는 경우 적어도 18 m의 rms 측정 오차가 존재한다.

USBL 시스템은 얻어진 위치 신호를 수상의 GPS 신호와 연동하여 수중 이동체의 절대 위치로 환산하여 위치 신호를 제공하고 있다.

USBL에서 얻어진 절대 위치는 디지털 데이터로써, 수중 이동체의 위치측정에 의미 있는 범위 내에서 통상적으로 절단된(truncated) 유효 숫자를 갖는 위치 신호를 제공한다.

예를 들어, 6,000 m 범위에서 0.3 % 정밀도를 갖는 상용 USBL은 북위 36도 위치에서 북쪽 방향으로 약 2 m, 동쪽 방향으로 약 1.5 m의 절단 오차(truncated error)를 가진다.

이러한 절단 오차로 인하여 USBL 출력 신호는 거시적인 관점에서 정규 분포 오차를 갖는 노이즈 특성이 보이나, 미시적인 관점에서는 결정론적인(deterministic) 신호 특성을 갖는다.

USBL 뿐만 아니라 GPS 출력 신호도 절단 오차를 가지므로 미시적인 범위에서 USBL과 동일하게 결정론적인 신호특성을 나타낸다.

따라서, 항법 시스템의 정밀도를 향상시키기 위하여 관성 시스템과 USBL 신호를 통합할 경우, USBL 위치 측정의 오차 신호가 정규 분포를 갖는 랜덤 노이즈(Gaussian random noise)로 모델링하는 것에 무리가 따른다.

그러므로 USBL 출력신호를 그대로 이용하는 경우에는 위치 측정 오차가 정규 분포를 갖는다는 전제 조건을 미시적인 영역에서 만족하지 못하므로, 칼만 필터 또는 확장 칼만 필터를 적용하여 정밀 항법 시스템을 구현하는 것에 한계가 있었다.

또한, USBL은 음향신호를 발신하고 수신하는 사이의 전달지연시간을 측정하여 수중이동체의 거리(거리 = 음속 x 전달지연시간)를 산출하므로, 음향신호가 전달되는 시간 동안에 수중이동체의 위치 변화에 따른 위치측정오차가 존재한다.

예를 들어, 6,000 m 거리에서 이동하는 원격 조종 무인 잠수정의 위치를 레스폰더 모드(Responder mode; 단방향 거리측정 방식)로 측정하는 경우, 수중에서 음파 전달속도는 약 1,500m/s 이므로 USBL 음향신호가 전송되는 시간지연은 약 4초가 된다.

한편, USBL 위치 측정에 있어서 트랜스폰더 모드(Transponder mode; 선상 송파기에서 음향 신호를 발신하고 수중 이동체는 이 신호를 수신한 후 응답신호를 발신하여 선상 수파기에서 응답신호를 수신하는 양방향 거리측정 방식으로서, 자율 무인 잠수정 또는 유인 잠수정에 적용)를 이용하는 경우는 약 8초의 음향신호 전달지연시간이 존재한다.

이 전달지연시간 동안 수중이동체는 위치변화가 존재하므로 정확한 위치측정을 위해서는 시간지연에 따른 위치오차에 대한 보상이 필요하다.

뿐만 아니라 수중에서 수신되는 음향신호는 수중환경과 선박의 운항조건에 따라 수신신호의 신호 대 잡음비(Signal/noise ratio)가 낮은 경우에는 위치측정이 불가능하여 아웃라이어(outlier)가 발생하고 이에 따라 위치신호 측정주기가 배수로 증가하는 경향이 있다.

따라서, 수중이동체의 위치를 정확하게 측정하기 위해서는 USBL의 음향신호 전달지연과 아웃라이어 신호특성을 고려한 위치보정이 필요하다.

US 8509030 B2

본 발명의 목적은 수중 음향 신호의 전달 지연 시간을 측정하여 수중 이동체의 거리를 환산하고 USBL 신호와 연동하여 수중 이동체의 절대 위치를 환산함과 동시에, 수중 이동체의 이동과 음향신호 전달시간지연에 따른 위치변화를 보상하고, 위치측정신호의 아웃라이어를 판정하여 이를 제거하고, 확장 칼만 필터 및 각종 보조 센서들을 통합 이용하여 초음파 위치 추적 신호의 측정값을 보정하여 수중 이동체의 위치를 정확하게 추적할 수 있는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템은 음향 펄스를 생성하고, 내장된 관성 센서에서 측정된 본체의 가속도 및 각속도 데이터와 모선의 위치 정보를 이용하여 상기 모선과의 거리가 추정되며, 상기 모선의 USBL 트랜시버에서 측정된 본체의 위치 데이터에 랜덤 노이즈를 추가하여 수중 통합 항법 데이터의 오차를 보정하는 수중 이동체; 및 상기 생성된 음향 펄스를 수신하여 상기 수중 이동체의 수중 3차원 상대 위치를 측정하여 상기 수중 이동체 본체의 상기 위치 데이터에 대한 USBL 신호를 상기 수중 이동체에 전송하는 상기 모선;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 수중 이동체는 케이블을 통하여 상기 모선에서 전송되는 응답 신호 발생 명령을 인가받아 상기 음향 펄스를 생성하는 USBL 레스폰더; 제1 주기로 상기 수중 이동체의 운동의 관성력을 검출하여 가속도 및 각속도를 측정하는 제1 관성 센서; 제2 주기로 상기 수중 이동체의 속도를 측정하는 제1 속도 센서; 상기 수중 이동체의 방위각 및 자세와 심도를 측정하는 제1 선수각-자세 센서 및 수심 센서; 상기 USBL 신호의 신호 수신 불량의 발생 여부를 판단하여 발생하지 않은 경우 상기 측정된 수중 이동체의 상기 위치 데이터에 랜덤 노이즈를 추가하고, 계측 오차 공분산을 조절하여 상기 수중 이동체의 거리를 추정하는 제1 확장 칼만 필터; 상기 제1 확장 칼만 필터로부터 상기 수중 이동체의 위도 및 경도를 리드하고, 상기 측정된 USBL 신호를 인가 받아 신호의 X-방향 및 Y-방향의 절단 오차를 설정하며, 신호 범위 및 신호 수신 지연 시간을 계산하여 측정값을 보정하는 제1 제어부; 및 상기 신호 수신 불량이 발생한 경우 신호 수신 불량 개수를 하나 증가시키는 제1 카운터;를 구비하는 원격 조종 무인 잠수정인 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 제1 제어부는 제1 네비게이션 데이터 메모리로부터 상기 원격 조종 무인 잠수정의 속도 데이터를 리드하여 상기 계산된 신호 수신 지연 시간 동안의 상기 원격 조종 무인 잠수정의 이동 위치를 계산하고, 상기 신호 수신 불량이 발생한 경우 상기 측정된 USBL 신호의 에러를 버리고 에러 공분산 행렬을 전파하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 제1 제어부는 임계 오차 범위인 n * σ(n = 3 ~ 5, 상기 σ는 오차의 표준 편차)를 초과하는 상기 측정된 USBL 신호를 제거하고, 다음의 수학식

(상기 R_k는 시간(t_k)에서의 계측 오차 공분산이고, 상기 R은 계측 오차 공분산이며, 상기 α는 신호 수신 불량 개수)을 이용하여 상기 신호 수신 불량에 의한 USBL 신호의 계측 오차 공분산 특성을 보정하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 제1 제어부는 USBL을 위하여 칼만 이득을 산출하고, 상기 제1 속도 센서를 위하여 칼만 이득을 산출한 후에 에러 공분산 행렬을 업데이트하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 수중 이동체는 상기 USBL 트랜시버에서 전송되는 질의 신호를 인가받아 상기 음향 펄스를 생성하는 USBL 트랜스폰더; 제1 주기로 상기 수중 이동체의 운동의 관성력을 검출하여 가속도 및 각속도를 측정하는 제2 관성 센서; 제2 주기로 상기 수중 이동체의 속도를 측정하는 제2 속도 센서; 상기 수중 이동체의 방위각 및 자세와 심도를 측정하는 제2 선수각-자세 센서 및 수심 센서; 상기 USBL 신호의 신호 수신 불량의 발생 여부를 판단하여 발생하지 않은 경우 상기 측정된 수중 이동체의 상기 위치 데이터에 랜덤 노이즈를 추가하고, 계측 오차 공분산을 조절하여 상기 수중 이동체의 거리를 추정하는 제2 확장 칼만 필터; 상기 제2 확장 칼만 필터로부터 상기 수중 이동체의 위도 및 경도를 리드하고, 상기 측정된 USBL 신호를 인가 받아 신호의 X-방향 및 Y-방향의 절단 오차를 설정하며, 신호 범위 및 신호 수신 지연 시간을 계산하여 측정값을 보정하는 제2 제어부; 및 상기 신호 수신 불량이 발생한 경우 신호 수신 불량 개수를 하나 증가시키는 제2 카운터;를 구비하는 자율 무인 잠수정인 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 제2 제어부는 제2 네비게이션 데이터 메모리로부터 상기 자율 무인 잠수정의 속도 데이터를 리드하여 상기 계산된 신호 수신 지연 시간 동안의 상기 자율 무인 잠수정의 이동 위치를 계산하고, 상기 신호 수신 불량이 발생한 경우 상기 측정된 USBL 신호의 에러를 버리고 에러 공분산 행렬을 전파하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 제2 제어부는 임계 오차 범위인 n * σ(n = 3 ~ 5, 상기 σ는 오차의 표준 편차)를 초과하는 상기 측정된 USBL 신호를 제거하고, 다음의 수학식

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 제2 제어부는 USBL을 위하여 칼만 이득을 산출하고, 상기 제2 속도 센서를 위하여 칼만 이득을 산출한 후에 에러 공분산 행렬을 업데이트하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 모선은 상기 생성된 음향 펄스를 수신하여 신호 수신 지연 시간 및 신호 수신 각도를 계산하고, 상기 수중 이동체까지의 거리 및 상기 음향 펄스의 입사각을 환산하여 상기 수중 이동체의 상기 수중 3차원 상대 위치를 계산하여 상기 USBL 신호를 출력하는 USBL 트랜시버; 및 상기 수중 이동체의 x 축상 위치 및 y 축상 위치를 측정하고, x 축상 위치 에러 및 y 축상 위치 에러를 산출하는 GPS;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 USBL 트랜시버는 상기 GPS를 통해 획득한 상기 모선의 위치를 고려한 상기 수중 이동체의 절대 위치를 환산하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 USBL 트랜시버는 상기 수중 이동체가 트랜스폰더 모드인 원격 조종 무인 잠수정인 경우 및 자율 무인 잠수정인 경우 상기 신호 수신 지연 시간을 이용하여 상기 수중 이동체까지의 왕복 거리를 환산하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 USBL 신호의 측정값 보정은 상기 수중 이동체가 USBL 레스폰더로 운용되는 원격 조종 무인 잠수정인 경우, 상기 제1 제어부가 운용 거리 범위를 고려하여 초기값을 설정하고, 상기 원격 조종 무인 잠수정의 위치 및 상기 모선으로부터의 거리(R₁)를 계산하고, 상기 USBL 트랜시버가 상기 모선의 위치 변화량(ΔX_GPS, ΔY_GPS)을 측정하여 전송하면 상기 제1 제어부가 상기 모선의 위치 변화를 보정하여 상기 원격 조종 무인 잠수정의 위치를 다음 수학식

(상기 X_USBL(t_k) 및 상기 Y_USBL(t_k)는 각각 시간(t_k)에서 USBL을 통해 측정된 x 축상 위치 및 y 축상 위치이고, 상기 ΔX_GPS 및 상기 ΔY_GPS 는 GPS를 통해 측정된 상기 모선의 위치 변화량이며, 상기 V_E(t_k-i) 및 상기 V_N(t_k-i)는 각각 시간(t_k-i)에서의 동쪽 및 북쪽 방향으로의 상기 원격 조종 무인 잠수정의 속도)에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 USBL 신호의 측정값 보정은 상기 수중 이동체가 USBL 트랜스폰더로 운용되는 원격 조종 무인 잠수정인 경우, 상기 제1 제어부가 운용 거리 범위를 고려하여 초기값을 설정하고, 상기 원격 조종 무인 잠수정의 위치 및 상기 모선으로부터의 거리(R₁)를 계산하고, 상기 모선이 이동하여 상기 원격 조종 무인 잠수정이 상기 모선으로부터 거리(R₂)가 떨어지게 된 상기 USBL 트랜시버가 왕복거리 (R₁+R₂)/2를 계산하며, 상기 USBL 트랜시버가 상기 모선의 위치 변화량(ΔX_GPS, ΔY_GPS)을 측정하여 전송하면 상기 제1 제어부가 상기 모선의 위치 변화를 보정하여 상기 원격 조종 무인 잠수정의 위치를 다음 수학식

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 초기값은 USBL 신호 처리 시간 구간(T_USBL), 음파 전달 평균 음속(V_a), 상기 제1 관성 센서의 샘플링 시간 간격(δt) 및 상기 USBL 신호 처리 시간 구간의 100 Hz 카운트 숫자(j=T_USBL/δt)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 USBL 신호의 측정값 보정은 상기 수중 이동체가 USBL 트랜스폰더로 운용되는 자율 무인 잠수정인 경우, 상기 제2 제어부가 운용 거리 범위를 고려하여 초기값을 설정하고, 상기 자율 무인 잠수정의 위치 및 상기 모선으로부터의 거리(R₁)를 계산하고, 상기 모선이 이동하여 상기 자율 무인 잠수정이 상기 모선으로부터 거리(R₂)가 떨어지게 된 상기 USBL 트랜시버가 왕복거리 (R₁+R₂)/2를 계산 및 상기 자율 무인 잠수정의 위치를 측정하며, 상기 모선이 상기 측정된 자율 무인 잠수정의 위치 데이터를 비동기 전송 모드로 상기 자율 무인 잠수정으로 전송하면, 상기 자율 무인 잠수정이 이동한 소정의 시간에 상기 측정된 자율 무인 잠수정의 위치 데이터를 확인하고, 상기 USBL 트랜시버가 상기 모선의 위치 변화량(ΔX_GPS, ΔY_GPS)을 측정하여 전송하면 상기 제2 제어부가 상기 모선의 위치 변화를 보정하여 상기 자율 무인 잠수정의 위치를 다음 수학식

(상기 X_USBL(t_k) 및 상기 Y_USBL(t_k)는 각각 시간(t_k)에서 USBL을 통해 측정된 x 축상 위치 및 y 축상 위치이고, 상기 ΔX_GPS 및 상기 ΔY_GPS 는 GPS를 통해 측정된 상기 모선의 위치 변화량이며, 상기 V_E(t_k-i) 및 상기 V_N(t_k-i)는 각각 시간(t_k-i)에서의 동쪽 및 북쪽 방향으로의 상기 자율 무인 잠수정의 속도)에 의해 계산하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 상기 초기값은 USBL 신호 처리 시간 구간(T_USBL), 음파 전달 평균 음속(V_a), 상기 제2 관성 센서의 샘플링 시간 간격(δt), 비동기 전송 모드 데이터 수신을 위한 신호 처리 소요 시간(Δt_a) 및 비동기 전송 모드에서 USBL 신호 수신 소요 시간의 100 Hz 카운트 숫자(j_a = Δt_a /δt)인 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템은 음향 펄스를 생성하고, 내장된 관성 센서에서 측정된 본체의 가속도 및 각속도 데이터와 모선의 위치 정보를 이용하여 상기 모선과의 거리가 추정되며, 상기 모선의 USBL 트랜시버에서 측정된 본체의 위치 데이터에 랜덤 노이즈를 추가하여 수중 통합 항법 데이터의 오차를 보정하는 수중 이동체; 및 상기 생성된 음향 펄스를 수신하여 상기 수중 이동체의 수중 3차원 상대 위치를 측정하여 상기 수중 이동체 본체의 상기 위치 데이터에 대한 USBL 신호를 상기 수중 이동체에 전송하는 상기 모선; 을 구비하고, 상기 위치 데이터는 절단 오차를 가지고, 상기 USBL 신호는 미시적인 관점에서 결정론적 신호 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.

기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.

본 발명에 의할 경우, 시간 경과에 따라 오차가 누적되는 관성 센서만을 이용하는 경우나 신호수신 불량이 자주 발생하고 각도 분해능이 일정하여 측정 거리가 증가함에 따라 오차가 증가하는 USBL의 단점을 극복하게 되어 수중 항법 추적 시스템의 정밀도가 향상되게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 수중 이동체가 원격 조종 무인 잠수정(200)인 경우 시스템의 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 수중 이동체가 자율 무인 잠수정(300)인 경우 시스템의 블록도이다.
도 4는 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 측정된 USBL 신호 및 랜덤 노이즈가 포함된 신호를 X-Y 평면도로 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 측정된 위치 에러(a) 및 랜덤 노이즈가 포함된 신호(b)를 히스토그램에 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 측정된 USBL 신호의 특성 보정 방법의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 7a 내지 도 7c는 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 시간 지연에 따라 측정된 USBL 신호의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 시간 지연을 보상한 수중 이동체의 위치를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 6에 도시된 USBL 신호의 특성 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템 중 확장 칼만 필터링 동작을 상세하게 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예로서 USBL에서 측정된 자율 무인 잠수정의 x 축상 위치(a) 및 y 축상 위치(b)를 시간의 경과에 따라 모사한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예로서 USBL에서 측정된 x 축상 위치 에러(a) 및 y 축상 위치 에러(b)를 히스토그램에 나타낸 그래프이다.
도 12는 도 10에 도시된 자율 무인 잠수정의 x 축상 USBL 위치 측정값에 랜덤 오차를 추가한 x 축상 위치(a) 및 y 축상 USBL 위치 측정값에 랜덤 오차를 추가한 y 축상 위치(b)를 시간의 경과에 따라 비교한 그래프이다.
도 13은 도 12에 도시된 랜덤 오차를 추가한 x 축상 위치 에러(a) 및 랜덤 오차를 추가한 y 축상 위치 에러(b)를 히스토그램에 나타낸 그래프이다.
도 14는 도 13에 도시된 랜덤 오차를 가우스 분포 함수로 모델링한 x 축상 위치 에러(a) 및 y 축상 위치 에러(b)를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예로서 USBL에서 실제 측정된 USBL 신호 및 평균 위치값(a) 및 랜덤 노이즈가 포함된 신호 및 평균 위치값(b)을 X-Y 평면도로 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시 예로서 GPS에서 측정된 x 축상 위치 에러(a) 및 y 축상 위치 에러(b)를 히스토그램에 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시 예로서 GPS에서 실제 측정된 위치 신호 및 평균 위치값을 X-Y 평면도로 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 예로서 GPS에서 측정된 x 축상 위치 에러에 랜덤 노이즈가 포함된 신호(a) 및 y 축상 위치 에러에 랜덤 노이즈가 포함된 신호(b)를 히스토그램에 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시 예로서 GPS에서 실제 측정된 위치 신호에 랜덤 노이즈가 포함된 신호 및 평균 위치값을 X-Y 평면도로 나타낸 그래프이다.
도 20은 도 19에 도시된 랜덤 오차를 가우스 분포 함수로 모델링한 x 축상 위치 에러(a) 및 y 축상 위치 에러(b)를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 상세하기 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.

더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템을 구현하기 위한 수중 통합 항법 시스템의 구성도로서, 모선(100), 원격 조종 무인 잠수정(200) 및 자율 무인 잠수정(300)를 포함한다.

도 2는 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 수중 이동체가 원격 조종 무인 잠수정(200)인 경우 시스템의 블록도이다.

도 3은 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 수중 이동체가 자율 무인 잠수정(300)인 경우 시스템의 블록도이다.

모선(100)은 USBL 트랜시버(110) 및 GPS(120)를 장착하고, 원격 조종 무인 잠수정(200)은 USBL 레스폰더(Responder, 210), 제1 관성 센서(Inertial Measurement Unit: IMU, 220), 제1 속도 센서(Doppler Velocity Log: DVL, 230), 제1 선수각-자세 센서(Attitude Heading Reference System, AHRS) 및 수심 센서(Depth sensor)(240), 제1 확장 칼만 필터(250), 제1 제어부(260), 제1 카운터(270) 및 제1 네비게이션 데이터 메모리(280)를 구비한다.

자율 무인 잠수정(300)은 USBL 트랜스폰더(Transponder, 310), 제2 관성 센서(Inertial Measurement Unit: IMU, 320), 제2 속도 센서(Doppler Velocity Log: DVL, 330), 제2 선수각-자세 센서(Attitude Heading Reference System, AHRS) 및 수심 센서(Depth sensor)(340), 제2 확장 칼만 필터(350), 제2 제어부(360), 제2 카운터(370) 및 제2 네비게이션 데이터 메모리(380)를 구비한다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템의 각 구성요소의 구성 및 기능을 설명하면 다음과 같다.

수중 이동체(200, 300)는 음향 펄스를 생성하고, 제1 및 제2 관성 센서(220, 320)에서 측정된 본체의 가속도 및 각속도 데이터와 모선(100)의 위치 정보를 이용하여 모선(100)과의 거리가 추정되며, 모선(100)의 USBL 트랜시버(110)에서 측정된 본체의 위치 데이터에 랜덤 오차를 추가하여 수중 통합 항법 데이터의 오차를 보정한다.

모선(100)은 수중 이동체(200, 300)에서 생성된 음향 펄스를 수신하여 수중 이동체(200, 300)의 수중 3차원 상대 위치를 측정하여 수중 이동체(200, 300) 본체의 위치 데이터에 대한 USBL 신호를 출력한다.

제1 및 제2 관성 센서(220, 320)는 100 Hz 주기로 수중 이동체(200, 300) 각각의 운동의 관성력을 검출하여 가속도 및 각속도를 측정한다.

제1 및 제2 속도 센서(230, 330)는 5 Hz 주기로 수중 이동체(200, 300) 각각의 속도를 측정한다.

또한, 제1 및 제2 선수각-자세 센서 및 수심 센서(240, 340)는 수중 이동체(200, 300) 각각의 방위각 및 자세와 수중 이동체(200, 300) 각각의 심도를 측정한다.

USBL 트랜시버(110)는 수중 이동체(200, 300)에서 생성된 음향 펄스를 수신하여 신호 수신 지연 시간 및 신호 수신 각도를 계산하고, 수중 이동체(200, 300)까지의 거리 및 음향 펄스의 입사각을 환산하여 수중 이동체(200, 300)의 수중 3차원 상대 위치를 계산하여 USBL 신호를 출력한다.

GPS(120)는 수중 이동체(200, 300)의 x 축상 위치 및 y 축상 위치를 측정하고, x 축상 위치 에러 및 y 축상 위치 에러를 산출한다.

USBL 레스폰더(210)는 케이블을 통하여 모선(100)에서 전송되는 응답 신호 발생 명령을 인가받아 음향 펄스를 생성한다.

USBL 트랜스폰더(310)는 USBL 트랜시버(110)에서 전송되는 질의 신호를 인가받아 음향 펄스를 생성한다.

제1 및 제2 확장 칼만 필터(250, 350)는 신호 수신 불량의 발생 여부를 판단하여 발생하지 않은 경우 측정된 수중 이동체(200, 300)의 x 축상 위치(X_USBL) 및 y 축상 위치(Y_USBL)에 랜덤 노이즈를 추가하고, 계측 오차 공분산을 조절하여 수중 이동체(200, 300)의 거리를 추정한다.

제1 및 제2 제어부(260, 360)는 제1 및 제2 확장 칼만 필터(250, 350)로부터 상기 수중 이동체(200, 300)의 위도 및 경도를 리드하고, 측정된 USBL 신호의 X-방향 및 Y-방향의 절단 오차를 설정하며, USBL 신호를 인가 받아 신호 범위 및 신호 수신 지연 시간을 계산하여 측정값을 보정한다.

제1 및 제2 카운터(270, 370)는 신호 수신 불량이 발생한 경우 신호 수신 불량 개수를 하나 증가시키며 카운트한다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 수중 이동체(200, 300)의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템이 USBL을 이용하여 수중 이동체(200, 300)의 위치를 측정하는 동작은 다음과 같다.

원격 조종 무인 잠수정(200)의 경우 레스폰더 모드 또는 트랜스폰더 모드로서, 케이블을 통하여 모선(100)의 선상에서 원격 조종 무인 잠수정(200)으로 응답 신호 발생 명령을 전송하면, USBL 레스폰더(210)는 음향 펄스를 생성하고 모선(100)의 USBL 트랜시버(110)는 이를 수신한다.

이때, USBL 트랜시버(110)는 음향 펄스 신호를 수신하는데 소요되는 지연 시간을 계산하여 원격 조종 무인 잠수정(200)까지의 거리를 환산하고, 신호 수신 각도를 직교 2 방향으로 계산하여 음향 펄스 신호의 입사각을 환산한다.

또한, 원격 조종 무인 잠수정(200)의 수중 3차원 상대 위치를 계산하고, GPS(120)를 통해 획득한 모선(100)의 위치를 고려한 원격 조종 무인 잠수정(200)의 절대 위치를 환산한다.

한편, 자율 무인 잠수정(300)의 경우 트랜스폰더 모드로서, USBL 트랜시버(110)에서 질의(interrogation) 신호를 발신하면 USBL 트랜스폰더(310)는 이를 수신하여 음향 펄스를 생성하고 모선(100)의 USBL 트랜시버(110)는 이를 수신한다.

이때, USBL 트랜시버(110)는 음향 펄스 신호를 수신하는데 소요되는 지연 시간을 계산하여 자율 무인 잠수정(300)까지의 왕복 거리를 환산하고, 신호 수신 각도를 직교 2 방향으로 계산하여 음향 펄스 신호의 입사각을 환산한다.

또한, 자율 무인 잠수정(300)의 수중 3차원 상대 위치를 계산하고, GPS(120)를 통해 획득한 모선(100)의 위치를 고려한 자율 무인 잠수정(300)의 절대 위치를 환산한다.

예를 들어, 수중 이동체(200, 300)의 위치가 모선(100)으로부터 1500 m 떨어져 있다고 가정하면, 시간 = 거리/음속이고, 음속은 약 1500 m/s이므로 모선(100)의 USBL 트랜시버(110)에서 계산된 음향 펄스 신호의 지연 시간은 레스폰더 모드 원격 조종 무인 잠수정(200)의 경우 1 초이고, 트랜스폰더 모드 원격 조종 무인 잠수정(200) 및 자율 무인 잠수정(300)의 경우 2 초로 계산된다.

따라서, 모선(100)이 수중 이동체(200, 300)로부터 수신하는 신호의 간섭에 의한 영향을 방지하기 위하여 약 3초 시간 간격으로 수중 이동체(200, 300)로부터 신호를 수신한다.

이와 같이 USBL을 이용하여 측정된 수중 이동체(200, 300)의 비 정규 분포 오차를 갖는 위치 신호를 정규 분포화하는 동작은 다음과 같다.

도 4는 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 측정된 USBL 신호 및 랜덤 노이즈가 포함된 신호를 X-Y 평면도로 나타낸 그래프이다.

도 5는 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 측정된 위치 에러(a) 및 랜덤 노이즈가 포함된 신호(b)를 히스토그램에 나타낸 그래프이다.

도 5(a)에서 보는 바와 같이, 본 발명은 수중 이동체(200, 300)의 위도(Latitude)에 따라 X-방향의 절단 오차(truncated error)인 ΔX 및 USBL 계측 정밀도에 대한 Y-방향의 절단 오차인 ΔY를 계산한 결과, USBL 출력 신호는 거시적인 관점에서 정규 분포 오차를 갖는 노이즈 특성이 보여지지만, 미시적인 관점에서는 비정규 분포 신호 특성을 갖는다.

도 4의 소정의 구간에 균일 분포하는 랜덤 노이즈(random noise)를 생성하고, 다음 수학식과 같이 측정된 USBL의 X, Y 신호에 랜덤 노이즈를 추가한다.

여기에서, X_USBL(t_k) 및 Y_USBL(t_k)는 각각 시간(t_k)에서의 x 축상 위치 및 y 축상 위치이고, ΔX 및 ΔY는 각각 X-방향 및 Y-방향의 절단 오차이며, r.n.은 랜덤 노이즈이다.

도 5(b)에서 보는 바와 같이, 수중 이동체(200, 300)의 USBL 위치 측정값에 X-방향 및 Y-방향의 랜덤 노이즈를 추가한 결과, USBL 위치 측정의 오차 신호가 거시적인 관점뿐 아니라 미시적인 관점에서도 정규 분포의 특성을 갖게 됨을 확인할 수 있다.

도 6은 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 측정된 USBL 신호의 특성 보정 방법의 동작을 나타내는 순서도이다.

도 7a 내지 도 7c는 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 시간 지연에 따라 측정된 USBL 신호의 흐름을 나타내는 도면으로서, 수중 이동체가 레스폰더로 운용되는 원격 조종 무인 잠수정(200)인 경우(a), 트랜스폰더로 운용되는 원격 조종 무인 잠수정(200)인 경우(b) 및 트랜스폰더로 운용되는 자율 무인 잠수정(300)인 경우(c)를 포함한다.

도 8은 도 1에 도시된 수중 통합 항법 시스템에서 시간 지연을 보상한 수중 이동체의 위치를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 수중 통합 항법 시스템에서 수중 이동체(200, 300)의 위치 측정 오차 보정 방법으로부터 측정된 USBL 신호의 특성 보정 방법의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제1 및 제2 제어부(260, 360)가 제1 및 제2 확장 칼만 필터(250, 350)로부터 수중 이동체(200, 300)의 위도 및 경도를 리드(read)하고(S100), X-방향의 절단 오차 ΔX 및 Y-방향의 절단 오차 ΔY를 설정한다(S150).

제1 및 제2 제어부(260, 360)가 신호수신 불량(Outlier) 개수(α)를 리셋하고(S200), 측정된 USBL 신호를 기다린다(S250).

제1 및 제2 제어부(260, 360)가 USBL 트랜시버(110)로부터 측정된 USBL 신호를 인가 받아 신호 범위 및 신호를 수신하는데 소요되는 지연 시간을 계산한다(S300).

또한, 지연 카운트를 산출하고(S350), 제1 및 제2 네비게이션 데이터 메모리(280, 380)로부터 직교하는 2 방향(예를 들어, 북쪽 방향 및 동쪽 방향)에서의 수중 이동체(200, 300)의 속도 데이터를 리드한다(S400).

리드한 수중 이동체(200, 300)의 속도 데이터를 이용하여 계산된 지연 시간 동안의 수중 이동체(200)의 이동 위치를 계산한다(S450).

시간(t_k)에서의 USBL 신호의 측정값을 다음과 같이 보정한다(S500).

먼저, 수중 이동체가 USBL 레스폰더로 운용되는 원격 조종 무인 잠수정(200)인 경우(도 7a), 제1 제어부(260)가 운용 거리 범위를 고려하여 USBL 신호 처리 시간 구간(T_USBL), 음파 전달 평균 음속(V_a), 제1 관성 센서(220)의 샘플링 시간 간격(δt, 약 0.01초) 및 USBL 신호 처리 시간 구간의 100 Hz 카운트 숫자(j=T_USBL/δt)에 대한 초기값을 설정한다.

시간(①)에서, 원격 조종 무인 잠수정(200)의 USBL 레스폰더(210)에서 음향 펄스를 발생하면, 시간(②)에서, 거리(slant range, R₁)가 떨어진 모선(100)의 USBL 트랜시버(110)에서 음향 펄스를 수신한다.

시간(③)에서, 제1 제어부(260)가 원격 조종 무인 잠수정(200)의 위치 및 거리(R₁)를 계산하여, 100 Hz 카운트 숫자 (j₁=R₁/V_aδt)를 산출한다.

다음으로, USBL 트랜시버(110)가 시간(③)~시간(④) 동안 모선(100)의 위치 변화량 ΔX_GPS 및 ΔY_GPS 를 측정하여 전송하면 제1 제어부가 모선(100)의 위치 변화를 보정한다.

제1 제어부가 시간(①)~시간(③) 동안 원격 조종 무인 잠수정(200)의 위치를 다음의 수학식 2에 의해 계산한다.

이때, 원격 조종 무인 잠수정(200) 속도를 시간 적분함으로써 원격 조종 무인 잠수정(200)의 이동 거리를 계산한다.

여기에서, X_USBL(t_k) 및 Y_USBL(t_k)는 각각 시간(t_k)에서 USBL을 통해 측정된 x 축상 위치 및 y 축상 위치이고, ΔX_GPS 및 ΔY_GPS 는 GPS를 통해 측정된 모선(100)의 위치 변화량이며, V_E(t_k-i), V_N(t_k-i)는 각각 시간(t_k-i)에서의 동쪽 및 북쪽 방향으로의 원격 조종 무인 잠수정(200) 속도를 나타낸다.

다음으로, 수중 이동체가 USBL 트랜스폰더로 운용되는 원격 조종 무인 잠수정(200)인 경우(도 7b), 제1 제어부가 운용 거리 범위를 고려하여 USBL 신호처리 시간 구간(T_USBL), 음파 전달 평균 음속(V_a), 제1 관성 센서(220)의 샘플링 시간 간격(δt, 약 0.01초) 및 USBL 신호 처리 시간 구간의 100 Hz 카운트 숫자(j=T_USBL/δt)에 대한 초기값을 설정한다.

시간(①)에서, 모선(100)의 USBL 트랜시버(110)에서 음향 펄스를 발생하면, 시간(②)에서, 모선(100)으로부터 거리(R₁)가 떨어진 원격 조종 무인 잠수정(200)에서 음향 펄스를 수신하여 응답 신호를 출력한다.

모선(100)이 이동한 소정의 시간(③)에서, 원격 조종 무인 잠수정(200)으로부터 거리(R₂)가 떨어진 모선(100)의 USBL 트랜시버(110)에서 음향 펄스 응답 신호를 수신한다.

시간(④)에서, USBL 트랜시버(110)가 왕복거리 (R₁+R₂)/2를 계산하고, 이를 이용하여 시간(②)에서의 원격 조종 무인 잠수정(200) 위치를 측정한다.

이때, 원격 조종 무인 잠수정(200)가 충분히 깊은 수심에서 운용된다면,

,

로 근사화할 수 있으므로 100 Hz 카운트 숫자는 (j₁=R₁/V_aδt) 로 산출된다.

다음으로, USBL 트랜시버(110)가 시간(③)~시간(④) 동안 모선(100)의 위치 변화량 ΔX_GPS 및 ΔY_GPS 를 측정하여 제1 제어부가 모선(100)의 위치 변화를 보정한다.

시간(②)~시간(④) 동안 원격 조종 무인 잠수정(200)의 위치를 다음의 수학식 3에 의해 계산한다.

마지막으로, 수중 이동체가 USBL 트랜스폰더로 운용되는 자율 무인 잠수정(300)인 경우(도 7c), 제2 제어부가 운용 거리 범위를 고려하여 USBL 신호처리 시간 구간(T_USBL), 음파 전달 평균 음속(V_a), 제2 관성 센서(320)의 샘플링 시간 간격(δt, 약 0.01초), 비동기 전송 모드(Asynchronous Transfer Mode, ATM) 데이터 수신을 위한 신호 처리 소요 시간(latency, Δt_a) 및 비동기 전송 모드에서 USBL 신호 수신 소요 시간(latency)의 100 Hz 카운트 숫자(j_a = Δt_a /δt)에 대한 초기값을 설정한다.

시간(①)에서, 모선(100)의 USBL 트랜시버(110)에서 음향 펄스를 발생하면, 시간(②)에서, 모선(100)으로부터 거리(R₁)가 떨어진 자율 무인 잠수정(300)에서 음향 펄스를 수신하여 응답 신호를 출력한다.

모선(100)이 이동한 소정의 시간(③)에서, 자율 무인 잠수정(300)으로부터 거리(R₂)가 떨어진 모선(100)의 USBL 트랜시버(110)에서 음향 펄스 응답 신호를 수신한다.

시간(④)에서, USBL 트랜시버(110)가 왕복거리 (R₁+R₂)/2를 계산하고, 이를 이용하여 시간(②)에서의 자율 무인 잠수정(300)의 위치를 측정한다.

모선(100)이 측정된 자율 무인 잠수정(300)의 USBL 위치 데이터를 USBL 트랜시버(110)가 비동기 전송 모드를 통하여 자율 무인 잠수정(300)으로 전송을 시작하면, 자율 무인 잠수정(300)이 이동한 소정의 시간(⑤)에 USBL 위치 데이터 수신을 시작하고, 시간(⑥)에서 데이터 수신을 종료하여 USBL 위치 데이터를 확인한다.

이때, 자율 무인 잠수정(300)이 충분히 깊은 수심에서 운용된다면,

,

로 근사화할 수 있으므로 100 Hz 카운트 숫자는 (j₁=R₁/V_aδt)로 산출된다.

다음으로, USBL 트랜시버(110)가 시간(③)~시간(④) 동안 모선(100)의 위치 변화량 ΔX_GPS 및 ΔY_GPS 를 측정하여 제2 제어부가 모선(100)의 위치 변화를 보정한다.

시간(②)~시간(⑥) 동안 자율 무인 잠수정(300)의 위치를 다음의 수학식 4에 의해 계산한다.

여기에서, X_USBL(t_k) 및 Y_USBL(t_k)는 각각 시간(t_k)에서의 USBL을 통해 측정된 x 축상 위치 및 y 축상 위치이고, ΔX_GPS 및 ΔY_GPS 는 GPS를 통해 측정된 모선(100)의 위치 변화량 V_E(t_k-i), V_N(t_k-i)는 각각 시간(t_k-i)에서의 동쪽 및 북쪽 방향으로의 자율 무인 잠수정(300) 속도를 나타낸다.

이와 같이 수중 이동체가 USBL 레스폰더로 운용되는 원격 조종 무인 잠수정(200)인 경우(a), USBL 트랜스폰더로 운용되는 원격 조종 무인 잠수정(200)인 경우(b) 및 USBL 트랜스폰더로 운용되는 자율 무인 잠수정(300)인 경우(c)에 도 8에서 보는 바와 같이 수중 이동체의 측정된 위치(일점 쇄선)가 본 발명에 따른 수중 통합 항법 시스템에서의 위치 측정 오차 보정 방법을 적용하여 시간 지연을 보상한 결과, Δt 시간이 경과된 후에 위치 추정(점선) 및 위치 보상(실선)됨을 알 수 있다.

한편, 단계(S500)에서 시간(t_k)에서의 USBL 신호의 측정값을 보정한 후에, 제1 및 제2 확장 칼만 필터(250, 350)가 USBL 신호의 측정 에러를 계산하고(S550), 아웃라이어(Outlier), 즉 신호 수신 불량이 발생했는지 여부를 판단한다(S600).

신호 수신 불량이 발생한 경우 제1 및 제2 카운터(270, 370)가 신호 수신 불량 개수를 하나 증가시키고, 제1 및 제2 제어부(260, 360)가 측정된 USBL 신호의 에러를 버리고 에러 공분산(covariance) 행렬을 전파(propagate)한다(S650).

이때, 측정된 USBL 신호의 에러를 버리는 동작은 다음과 같다.

제1 및 제2 제어부(260, 360)가 임계 오차범위인 n * σ(n = 3 ~ 5)를 초과하는 계측 신호를 제거하고, 제1 및 제2 카운터(270, 370)가 신호 수신 불량 개수(α)를 카운트한다.

여기에서, σ는 오차의 표준 편차를 나타낸다.

제1 및 제2 제어부(260, 360)가 신호 수신 불량에 의한 USBL의 계측 오차 공분산 특성을 다음의 수학식 5에 의해 보정한다.

여기에서, R_k는 시간(t_k)에서의 계측 오차 공분산이고, R은 계측 오차 공분산이며, α는 신호 수신 불량 개수를 나타낸다.

단계(S600)에서 신호 수신 불량이 발생하지 않은 경우 다음과 같은 확장 칼만 필터링 동작을 수행한다.

즉, 제1 및 제2 확장 칼만 필터(250, 350)가 수중 이동체(200, 300) 각각의 x 축상 위치(X_USBL) 및 y 축상 위치(Y_USBL)에 균일 분포하는 랜덤 노이즈를 추가하고(S700), 계측 오차 공분산을 조절한다(S750).

제1 및 제2 제어부(260, 360)가 신호 수신 불량을 리셋시킨 후에(S800) 상기 확장 칼만 필터링 동작을 계속할지 여부를 판단하여(S850) 계속할 경우 단계(S500)로 회귀하고, 계속하지 않을 경우 종료한다.

도 9는 도 6에 도시된 USBL 신호의 특성 보정 방법 중 확장 칼만 필터링 동작을 상세하게 설명하기 위한 동작 흐름도이다.

도 1 내지 도 9을 참조하여 본 발명에 따른 수중 통합 항법 시스템에서 수중 이동체(200, 300)의 위치 측정 오차 보정 방법에서 확장 칼만 필터링 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제1 및 제2 확장 칼만 필터(250, 350)가 USBL 레스폰더(210) 또는 USBL 트랜스폰더(310)를 통하여 USBL 트랜시버(110)에서 환산된 모선(100)으로부터 수중 이동체(200, 300)까지의 거리 및 GPS(120)에서 환산된 수중 이동체(200, 300)의 절대 위치를 인가받아 초기화한다(S501).

제1 및 제2 관성 센서(220, 320)는 원격 조종 무인 잠수정(200) 및 자율 무인 잠수정(300) 각각의 운동의 관성력을 검출하여 가속도 및 각속도를 제공한다(S502).

제1 및 제2 확장 칼만 필터(250, 350)는 제1 및 제2 관성 센서(220, 320)로부터 수중 이동체(200, 300)의 가속도 및 각속도 데이터를 인가받아 수중 이동체(200, 300)의 위치, 속도, 자세 등의 데이터를 계산하는 스트랩다운 관성항법 알고리즘을 구동하여, 모선(100)의 변경된 위치정보를 고려하여 수중 이동체(200, 300)의 추정거리를 산출한다(S503).

스트랩다운 관성항법 알고리즘의 기본 동작 원리는 수중 이동체(200, 300)의 회전 각속도를 측정하는 자이로 출력을 이용하여 기준 항법 좌표계를 형성하고, 기준 항법 좌표계상의 가속도계 출력으로부터 중력 가속도 성분을 보상한 후에 적분을 취하여 수중 이동체(200, 300)의 속도를 얻어내고 이를 다시 적분하여 이동한 거리를 구함으로써 수중 이동체(200, 300)의 현재 위치를 산출하는 것이다.

즉, 이러한 스트랩다운 관성항법 알고리즘은 외부 조정 없이 수중 이동체(200, 300)의 속도, 위치 및 자세 등의 추정 항법 데이터를 스스로 계산할 수 있어 외부의 전파 방해나 교란 행위를 피할 수 있고, 날씨나 시간 등에 구애받지 않고 항법 데이터를 산출할 수 있다는 장점이 있다.

다만, 산출되는 값은 추정치로서 시간에 따라 오차가 누적되는 문제가 있으므로 다음과 같은 오차의 보정 과정이 필요하다.

제1 및 제2 제어부(260, 360)는 제1 및 제2 확장 칼만 필터(250, 350)에서 산출된 수중 이동체(200, 300)의 추정거리를 인가받아 에러 공분산 행렬을 전파한다(S504).

제1 및 제2 제어부(260, 360)는 USBL을 위하여 칼만 이득을 산출하고(S505), 제1 및 제2 속도 센서(230, 330)를 위하여 칼만 이득을 산출한 후에(S506) 에러 공분산 행렬을 업데이트한다(S507).

제1 및 제2 속도 센서(230, 330)를 위한 칼만 이득을 산출하는데 있어서 필요한 데이터는 제1 및 제2 속도 센서(230, 330)에서 측정된 수중 이동체(200, 300) 각각의 속도 데이터, 제1 및 제2 선수각-자세 센서 및 수심 센서(240, 340)에서 측정된 수중 이동체(200, 300) 각각의 자세 및 심도 데이터(S508)에 스트랩다운 관성항법 알고리즘을 통해 산출된 비동기 멀티 레이트 속도 데이터 및 자세 및 심도 데이터의 합이다.

상기 속도 데이터 및 자세 및 심도 데이터의 합을 인가받아 속도 및 심도에 대한 상태 추정 데이터를 업데이트한 후에(S509) 제1 및 제2 속도 센서(230, 330)를 위한 칼만 이득과 제1 및 제2 선수각-자세 센서 및 수심 센서(240, 340)를 위한 칼만 이득을 산출한다(S506).

또한, USBL을 위한 칼만 이득을 산출하는데 있어서 필요한 데이터는 USBL 트랜시버(110)에서 측정된 수중 이동체(200, 300) 각각의 위치 데이터에(S510) 스트랩다운 관성항법 알고리즘을 통해 산출된 위치 데이터의 합이다.

제1 및 제2 확장 칼만 필터(250, 350)는 상기 위치 데이터의 합을 인가받아 시간 지연 에러를 보정하고(S550), 아웃라이어(Outlier), 즉 신호 수신 불량이 발생했는지 여부를 판단한다(S600).

신호 수신 불량이 발생하지 않은 경우 x 축상 위치(X_USBL) 및 y 축상 위치(Y_USBL)에 균일 분포하는 랜덤 노이즈를 추가하고, 계측 오차 공분산(R_k)을 조절한다(S700).

신호 수신 불량이 발생한 경우 제1 및 제2 카운터(270, 370)가 신호 수신 불량 개수를 하나 증가시키고, 제어부가 측정된 USBL 신호의 에러를 버리고 에러 공분산(covariance) 행렬을 전파한다(S650).

제1 및 제2 제어부(260, 360)가 조절된 계측 오차 공분산을 이용하여 제1 및 제2 속도 센서(230, 330)를 위한 상태 추정 데이터를 업데이트한 후에(S701) USBL을 위한 칼만 이득을 산출하는 단계(S505)로 회귀함과 동시에 제1 및 제2 속도 센서(230, 330)를 위한 상태 추정 업데이트 데이터의 에러를 보정하여 스트랩다운 관성항법 알고리즘 구동 단계(S503)로 회귀한다.

스트랩다운 관성항법 알고리즘은 단계(S504)에서 전파된 에러 공분산 행렬을 인가받고 에러가 보정된 제1 및 제2 속도 센서(230, 330)를 위한 상태 추정 업데이트 데이터를 인가받아 계산된 수중 이동체(200, 300)의 위치, 속도, 자세 등의 데이터를 보정하여 출력한다.

한편, 제1 및 제2 제어부(260, 360)는 단계(S506)에서 제1 및 제2 속도 센서(230, 330)와 제1 및 제2 선수각-자세 센서 및 수심 센서(240, 340)를 위한 칼만 이득을 산출한 후에 단계(S507)로 회귀하여 에러 공분산 행렬을 업데이트하고, 단계(S504)로 회귀하여 에러 공분산(covariance) 행렬을 전파한다.

이와 같은 과정을 통하여 본 발명은 제1 및 제2 관성 센서(220, 320)에서 측정된 수중 이동체(200, 300)의 가속도 및 각속도 데이터, 모선(100)의 위치 정보를 이용하여 수중 이동체(200, 300)의 거리를 추정하고, USBL 트랜시버(110)에서 측정된 수중 이동체(200, 300)의 위치 데이터를 이용하여 항법 데이터의 오차를 보정한다.

이때 사용되는 제1 및 제2 확장 칼만 필터(250, 350)는 간접 되먹임 방식으로 추정거리를 보정한다.

즉, 과거의 측정 데이터와 새로운 측정 데이터를 이용하여 데이터에 포함된 노이즈를 제거시켜 새로운 결과를 추정하는 스트랩다운 관성항법 알고리즘을 통해 모선(100) 및 수중 이동체(200, 300)가 이동을 고려하여 지속적으로 데이터를 업데이트함으로써 재귀적으로 동작시킨다.

본 발명에 이용된 제1 및 제2 확장 칼만 필터(250, 350)는 선형적인 운동에서뿐 아니라 비선형적인 모델에도 적용 가능하다.

도 10은 본 발명의 일 실시 예로서 USBL에서 측정된 자율 무인 잠수정(300)의 x 축상 위치(a) 및 y 축상 위치(b)를 시간의 경과에 따라 모사한 그래프이다.

도 11은 본 발명의 일 실시 예로서 USBL에서 측정된 x 축상 위치 에러(a) 및 y 축상 위치 에러(b)를 히스토그램에 나타낸 그래프이다.

도 12는 도 10에 도시된 자율 무인 잠수정의 x 축상 USBL 위치 측정값에 랜덤 오차를 추가한 x 축상 위치(a) 및 y 축상 USBL 위치 측정값에 랜덤 오차를 추가한 y 축상 위치(b)를 시간의 경과에 따라 비교한 그래프이다.

도 13은 도 12에 도시된 랜덤 오차를 추가한 x 축상 위치 에러(a) 및 랜덤 오차를 추가한 y 축상 위치 에러(b)를 히스토그램에 나타낸 그래프이다.

도 14는 도 13에 도시된 랜덤 오차를 가우스 분포 함수로 모델링한 x 축상 위치 에러(a) 및 y 축상 위치 에러(b)를 나타낸 그래프이다.

도 15는 본 발명의 일 실시 예로서 USBL에서 실제 측정된 USBL 신호 및 평균 위치값(a) 및 랜덤 노이즈가 포함된 신호 및 평균 위치값(b)을 X-Y 평면도로 나타낸 그래프이다.

도 10 내지 도 13에서 자율 무인 잠수정(300)은 수심 1441 m 해저면에 착지하여 정지한 상태로서, 해상도는 남북(dy) 방향으로 1.98 m, 동서(dx) 방향으로 1.5 m이다.

도 12 및 도 13은 도 10 및 도 11에 도시된 USBL 계측 위치 신호 X, Y에 각각 dx, dy 크기의 정규 분포 랜덤 노이즈를 추가한 결과이고, 도 14는 도 13에 도시된 랜덤 오차를 가우스 분포 함수로 피팅(fitting)하여 공분산을 추정하였다.

도 10 및 도 11에서 보는 바와 같이, USBL 계측 위치 신호 X, Y는 각각 X-방향의 절단 오차인 ΔX 및 Y-방향의 절단 오차인 ΔY로 인해 미시적인 관점에서 비정규 분포 신호 특성을 갖는다.

하지만, USBL 계측 위치 신호 X, Y에 각각 정규 분포 랜덤 노이즈를 추가한 결과, 도 12 내지 도 14에서 보는 바와 같이, USBL 위치 측정의 오차 신호가 거시적인 관점뿐 아니라 미시적인 관점에서도 정규 분포의 특성을 갖게 됨을 확인할 수 있다.

특히, 도 15(a)에서 보는 바와 같이, USBL에서 실제 측정된 USBL 신호는 평균 위치값을 중심으로 분산되어 있는 반면, 도 15(b)에서 보는 바와 같이, 랜덤 노이즈가 포함된 USBL 신호는 평균 위치값을 중심으로 집중되어 있는 것을 알 수 있다.

이는 USBL 위치 측정의 오차 신호가 정규 분포를 갖게 되어, 수중 이동체(200, 300)의 측정 거리가 증가하여 시간 경과에 따라 오차가 누적되는 경우에도 수중 이동체(200, 300)의 위치 측정 정밀도가 향상되었음을 의미한다.

도 16은 본 발명의 다른 실시 예로서 GPS(120)에서 측정된 x 축상 위치 에러(a) 및 y 축상 위치 에러(b)를 히스토그램에 나타낸 그래프이다.

도 17은 본 발명의 다른 실시 예로서 GPS(120)에서 실제 측정된 위치 신호 및 평균 위치값을 X-Y 평면도로 나타낸 그래프이다.

도 18은 본 발명의 다른 실시 예로서 GPS(120)에서 측정된 x 축상 위치 에러에 랜덤 노이즈가 포함된 신호(a) 및 y 축상 위치 에러에 랜덤 노이즈가 포함된 신호(b)를 히스토그램에 나타낸 그래프이다.

도 19는 본 발명의 다른 실시 예로서 GPS(120)에서 실제 측정된 위치 신호에 랜덤 노이즈가 포함된 신호 및 평균 위치값을 X-Y 평면도로 나타낸 그래프이다.

도 20은 도 19에 도시된 랜덤 오차를 가우스 분포 함수로 모델링한 x 축상 위치 에러(a) 및 y 축상 위치 에러(b)를 나타낸 그래프이다.

GPS(120) 출력 신호 역시 USBL 계측 위치 신호와 동일하게 절단 오차를 가지므로 미시적인 범위에서 USBL 신호와 동일하게 결정론적인 신호특성을 나타낸다.

즉, 도 16 및 도 17에서 보는 바와 같이, GPS 계측 위치 신호 X, Y는 각각 X-방향의 절단 오차인 ΔX 및 Y-방향의 절단 오차인 ΔY로 인해 미시적인 관점에서 비정규 분포 신호 특성을 갖는다.

하지만, GPS 계측 위치 신호 X, Y에 각각 정규 분포 랜덤 노이즈를 추가한 결과, 도 18 내지 도 20에서 보는 바와 같이, USBL 위치 측정의 오차 신호가 거시적인 관점뿐 아니라 미시적인 관점에서도 정규 분포의 특성을 갖게 됨을 확인할 수 있다.

특히, 도 17에서 보는 바와 같이, GPS(120)에서 실제 측정된 GPS(120) 신호는 평균 위치값을 중심으로 분산되어 있는 반면, 도 19에서 보는 바와 같이, 랜덤 노이즈가 포함된 GPS(120) 신호는 평균 위치값을 중심으로 집중되어 있는 것을 알 수 있다.

이는 GPS(120) 위치 측정의 오차 신호가 정규 분포를 갖게 되어, 수중 이동체(200, 300)의 측정 거리가 증가하여 시간 경과에 따라 오차가 누적되는 경우에도 수중 이동체(200, 300)의 위치 측정 정밀도가 향상되었음을 의미한다.

이와 같이 본 발명은 수중 음향 신호의 전달 지연 시간을 측정하여 수중 이동체의 거리를 환산하고 GPS 신호와 연동하여 수중 이동체의 절대 위치로 환산함과 동시에 확장 칼만 필터 및 각종 보조 센서들을 통합 이용하여 초음파 위치 추적 신호의 측정값을 보정하여 수중 이동체의 위치를 정확하게 추적할 수 있는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템을 제공한다.

이를 통하여, 시간 경과에 따라 오차가 누적되는 관성 센서만을 이용하는 경우나 신호수신 불량이 자주 발생하고 각도 분해능이 일정하여 측정 거리가 증가함에 따라 오차가 증가하는 USBL의 단점을 극복하게 되어 수중 항법 추적 시스템의 정밀도가 향상되게 된다.

이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.

100: 모선
110: USBL 트랜시버
120: GPS
200: 원격 조종 무인 잠수정
210: USBL 레스폰더
220: 제1 관성 센서
230: 제1 속도 센서
240: 제1 선수각-자세 센서 및 수심 센서
250: 제1 확장 칼만 필터
260: 제1 제어부
270: 제1 카운터
280: 제1 네비게이션 데이터 메모리
300: 자율 무인 잠수정
310: USBL 트랜스폰더
320: 제 제2 관성 센서
330: 제2 속도 센서
340: 제2 선수각-자세 센서 및 수심 센서
350: 제2 확장 칼만 필터
360: 제2 제어부
370: 제2 카운터
380: 제2 네비게이션 데이터 메모리

Claims

음향 펄스를 생성하고, 내장된 관성 센서에서 측정된 본체의 가속도 및 각속도 데이터와 GPS를 통해 획득한 모선의 위치 정보를 이용하여 상기 모선과의 거리를 추정하며, 상기 모선의 USBL 트랜시버에서 측정된 본체의 절대 위치 데이터에 랜덤 노이즈를 추가하여 속도, 위치 및 자세에 대한 수중 통합 항법 데이터의 오차를 보정하는 수중 이동체; 및
상기 생성된 음향 펄스를 수신하여 상기 수중 이동체의 수중 3차원 상대 위치를 측정하여 상기 수중 이동체 본체의 상기 절대 위치 데이터에 대한 USBL 신호를 상기 수중 이동체에 전송하는 상기 모선;
을 구비하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 수중 이동체는
케이블을 통하여 상기 모선에서 전송되는 응답 신호 발생 명령을 인가받아 상기 음향 펄스를 생성하는 USBL 레스폰더;
제1 주기로 상기 수중 이동체의 운동의 관성력을 검출하여 가속도 및 각속도를 측정하는 제1 관성 센서;
제2 주기로 상기 수중 이동체의 속도를 측정하는 제1 속도 센서;
상기 수중 이동체의 방위각 및 자세와 심도를 측정하는 제1 선수각-자세 센서 및 수심 센서;
상기 USBL 신호의 신호 수신 불량의 발생 여부를 판단하여 발생하지 않은 경우 상기 측정된 수중 이동체의 상기 절대 위치 데이터에 랜덤 노이즈를 추가하고, 계측 오차 공분산을 조절하여 상기 수중 이동체의 거리를 추정하는 제1 확장 칼만 필터;
상기 제1 확장 칼만 필터로부터 상기 수중 이동체의 위도 및 경도를 리드하고, 상기 측정된 USBL 신호를 인가 받아 신호의 X-방향 및 Y-방향의 절단 오차를 설정하며, 신호 범위 및 신호 수신 지연 시간을 계산하여 측정값을 보정하는 제1 제어부; 및
상기 신호 수신 불량이 발생한 경우 신호 수신 불량 개수를 하나 증가시키는 제1 카운터;
를 구비하는 원격 조종 무인 잠수정인 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 제어부는
제1 네비게이션 데이터 메모리로부터 상기 원격 조종 무인 잠수정의 속도 데이터를 리드하여 상기 계산된 신호 수신 지연 시간 동안의 상기 원격 조종 무인 잠수정의 이동 위치를 계산하고,
상기 신호 수신 불량이 발생한 경우 상기 측정된 USBL 신호의 에러를 버리고 에러 공분산 행렬을 전파하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 제1 제어부는
임계 오차 범위인 n * σ(n = 3 ~ 5, 상기 σ는 오차의 표준 편차)를 초과하는 상기 측정된 USBL 신호를 제거하고,
다음의 수학식

(상기 R_k는 시간(t_k)에서의 계측 오차 공분산이고, 상기 R은 계측 오차 공분산이며, 상기 α는 신호 수신 불량 개수)을 이용하여 상기 신호 수신 불량에 의한 USBL 신호의 계측 오차 공분산 특성을 보정하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 제어부는
USBL을 위하여 칼만 이득을 산출하고, 상기 제1 속도 센서를 위하여 칼만 이득을 산출한 후에 에러 공분산 행렬을 업데이트하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 수중 이동체는
상기 USBL 트랜시버에서 전송되는 질의 신호를 인가받아 상기 음향 펄스를 생성하는 USBL 트랜스폰더;
제1 주기로 상기 수중 이동체의 운동의 관성력을 검출하여 가속도 및 각속도를 측정하는 제2 관성 센서;
제2 주기로 상기 수중 이동체의 속도를 측정하는 제2 속도 센서;
상기 수중 이동체의 방위각 및 자세와 심도를 측정하는 제2 선수각-자세 센서 및 수심 센서;
상기 USBL 신호의 신호 수신 불량의 발생 여부를 판단하여 발생하지 않은 경우 상기 측정된 수중 이동체의 상기 절대 위치 데이터에 랜덤 노이즈를 추가하고, 계측 오차 공분산을 조절하여 상기 수중 이동체의 거리를 추정하는 제2 확장 칼만 필터;
상기 제2 확장 칼만 필터로부터 상기 수중 이동체의 위도 및 경도를 리드하고, 상기 측정된 USBL 신호를 인가 받아 신호의 X-방향 및 Y-방향의 절단 오차를 설정하며, 신호 범위 및 신호 수신 지연 시간을 계산하여 측정값을 보정하는 제2 제어부; 및
상기 신호 수신 불량이 발생한 경우 신호 수신 불량 개수를 하나 증가시키는 제2 카운터;
를 구비하는 자율 무인 잠수정인 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 제2 제어부는
제2 네비게이션 데이터 메모리로부터 상기 자율 무인 잠수정의 속도 데이터를 리드하여 상기 계산된 신호 수신 지연 시간 동안의 상기 자율 무인 잠수정의 이동 위치를 계산하고,
상기 신호 수신 불량이 발생한 경우 상기 측정된 USBL 신호의 에러를 버리고 에러 공분산 행렬을 전파하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 제2 제어부는
임계 오차 범위인 n * σ(n = 3 ~ 5, 상기 σ는 오차의 표준 편차)를 초과하는 상기 측정된 USBL 신호를 제거하고,
다음의 수학식

(상기 R_k는 시간(t_k)에서의 계측 오차 공분산이고, 상기 R은 계측 오차 공분산이며, 상기 α는 신호 수신 불량 개수)을 이용하여 상기 신호 수신 불량에 의한 USBL 신호의 계측 오차 공분산 특성을 보정하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 제2 제어부는
USBL을 위하여 칼만 이득을 산출하고, 상기 제2 속도 센서를 위하여 칼만 이득을 산출한 후에 에러 공분산 행렬을 업데이트하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 모선은
상기 생성된 음향 펄스를 수신하여 신호 수신 지연 시간 및 신호 수신 각도를 계산하고, 상기 수중 이동체까지의 거리 및 상기 음향 펄스의 입사각을 환산하여 상기 수중 이동체의 상기 수중 3차원 상대 위치를 계산하여 상기 USBL 신호를 출력하는 USBL 트랜시버; 및
상기 수중 이동체의 x 축상 위치 및 y 축상 위치를 측정하고, x 축상 위치 에러 및 y 축상 위치 에러를 산출하는 상기 GPS;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 USBL 트랜시버는
상기 GPS를 통해 획득한 상기 모선의 위치를 고려한 상기 수중 이동체의 절대 위치를 환산하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 USBL 트랜시버는
상기 수중 이동체가 트랜스폰더 모드인 원격 조종 무인 잠수정인 경우 및 자율 무인 잠수정인 경우 상기 신호 수신 지연 시간을 이용하여 상기 수중 이동체까지의 왕복 거리를 환산하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 USBL 신호의 측정값 보정은
상기 수중 이동체가 USBL 레스폰더로 운용되는 원격 조종 무인 잠수정인 경우,
상기 제1 제어부가 운용 거리 범위를 고려하여 초기값을 설정하고, 상기 원격 조종 무인 잠수정의 위치 및 상기 모선으로부터의 거리(R₁)를 계산하고,
상기 USBL 트랜시버가 상기 모선의 위치 변화량(ΔX_GPS, ΔY_GPS)을 측정하여 전송하면 상기 제1 제어부가 상기 모선의 위치 변화를 보정하여 상기 원격 조종 무인 잠수정의 위치를 다음 수학식

(상기 X_USBL(t_k) 및 상기 Y_USBL(t_k)는 각각 시간(t_k)에서 USBL을 통해 측정된 x 축상 위치 및 y 축상 위치이고, 상기 ΔX_GPS 및 상기 ΔY_GPS 는 GPS를 통해 측정된 상기 모선의 위치 변화량이며, 상기 V_E(t_k-i) 및 상기 V_N(t_k-i)는 각각 시간(t_k-i)에서의 동쪽 및 북쪽 방향으로의 상기 원격 조종 무인 잠수정의 속도)에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는,
수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 USBL 신호의 측정값 보정은
상기 수중 이동체가 USBL 트랜스폰더로 운용되는 원격 조종 무인 잠수정인 경우,
상기 제1 제어부가 운용 거리 범위를 고려하여 초기값을 설정하고, 상기 원격 조종 무인 잠수정의 위치 및 상기 모선으로부터의 거리(R₁)를 계산하고,
상기 모선이 이동하여 상기 원격 조종 무인 잠수정이 상기 모선으로부터 거리(R₂)가 떨어지게 된 상기 USBL 트랜시버가 왕복거리 (R₁+R₂)/2를 계산하며, 상기 USBL 트랜시버가 상기 모선의 위치 변화량(ΔX_GPS, ΔY_GPS)을 측정하여 전송하면 상기 제1 제어부가 상기 모선의 위치 변화를 보정하여 상기 원격 조종 무인 잠수정의 위치를 다음 수학식

(상기 X_USBL(t_k) 및 상기 Y_USBL(t_k)는 각각 시간(t_k)에서 USBL을 통해 측정된 x 축상 위치 및 y 축상 위치이고, 상기 ΔX_GPS 및 상기 ΔY_GPS 는 GPS를 통해 측정된 상기 모선의 위치 변화량이며, 상기 V_E(t_k-i) 및 상기 V_N(t_k-i)는 각각 시간(t_k-i)에서의 동쪽 및 북쪽 방향으로의 상기 원격 조종 무인 잠수정의 속도)에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는,
수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 초기값은
USBL 신호 처리 시간 구간(T_USBL), 음파 전달 평균 음속(V_a), 상기 제1 관성 센서의 샘플링 시간 간격(δt) 및 상기 USBL 신호 처리 시간 구간의 100 Hz 카운트 숫자(j=T_USBL/δt)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 USBL 신호의 측정값 보정은
상기 수중 이동체가 USBL 트랜스폰더로 운용되는 자율 무인 잠수정인 경우,
상기 제2 제어부가 운용 거리 범위를 고려하여 초기값을 설정하고, 상기 자율 무인 잠수정의 위치 및 상기 모선으로부터의 거리(R₁)를 계산하고,
상기 모선이 이동하여 상기 자율 무인 잠수정이 상기 모선으로부터 거리(R₂)가 떨어지게 된 상기 USBL 트랜시버가 왕복거리 (R₁+R₂)/2를 계산 및 상기 자율 무인 잠수정의 위치를 측정하며,
상기 모선이 상기 측정된 자율 무인 잠수정의 위치 데이터를 비동기 전송 모드로 상기 자율 무인 잠수정으로 전송하면, 상기 자율 무인 잠수정이 이동한 소정의 시간에 상기 측정된 자율 무인 잠수정의 위치 데이터를 확인하고,
상기 USBL 트랜시버가 상기 모선의 위치 변화량(ΔX_GPS, ΔY_GPS)을 측정하여 전송하면 상기 제2 제어부가 상기 모선의 위치 변화를 보정하여 상기 자율 무인 잠수정의 위치를 다음 수학식

(상기 X_USBL(t_k) 및 상기 Y_USBL(t_k)는 각각 시간(t_k)에서 USBL을 통해 측정된 x 축상 위치 및 y 축상 위치이고, 상기 ΔX_GPS 및 상기 ΔY_GPS 는 GPS를 통해 측정된 상기 모선의 위치 변화량이며, 상기 V_E(t_k-i) 및 상기 V_N(t_k-i)는 각각 시간(t_k-i)에서의 동쪽 및 북쪽 방향으로의 상기 자율 무인 잠수정의 속도)에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는,
수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
제 16 항에 있어서,
상기 초기값은
USBL 신호 처리 시간 구간(T_USBL), 음파 전달 평균 음속(V_a), 상기 제2 관성 센서의 샘플링 시간 간격(δt), 비동기 전송 모드 데이터 수신을 위한 신호 처리 소요 시간(Δt_a) 및 비동기 전송 모드에서 USBL 신호 수신 소요 시간의 100 Hz 카운트 숫자(j_a = Δt_a /δt)인 것을 특징으로 하는,
수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.
음향 펄스를 생성하고, 내장된 관성 센서에서 측정된 본체의 가속도 및 각속도 데이터와 GPS를 통해 획득한 모선의 위치 정보를 이용하여 상기 모선과의 거리를 추정하며, 상기 모선의 USBL 트랜시버에서 측정된 본체의 절대 위치 데이터에 랜덤 노이즈를 추가하여 속도, 위치 및 자세에 대한 수중 통합 항법 데이터의 오차를 보정하는 수중 이동체; 및
상기 생성된 음향 펄스를 수신하여 상기 수중 이동체의 수중 3차원 상대 위치를 측정하여 상기 수중 이동체 본체의 상기 절대 위치 데이터에 대한 USBL 신호를 상기 수중 이동체에 전송하는 상기 모선;
을 구비하고,
상기 절대 위치 데이터는 절단 오차를 가지고, 상기 USBL 신호는 미시적인 관점에서 결정론적 신호 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 추적을 위한 수중 통합 항법 시스템.