KR101813339B1 - 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정방법 - Google Patents

수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법은 수평방향으로 4개 이상의 센서가 구비되고, 수직방향으로 1개 이상의 센서가 구비된 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법에 있어서, 표적으로부터 센서에 신호가 입력되는 단계(S100); 입력된 신호로부터 고장센서를 판단하는 단계(S200); 상기 고장센서를 배제하고, 상기 표적의 거리를 추정하는 단계(S300); 상기 표적의 방위를 추정하는 단계(S400); 상기 표적의 고각을 추정하는 단계(S500); 및 상기 추정된 표적의 위치에 대한 함정의 롤피치를 보상하는 단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용하여 일부 센서에 고장이 발생하는 경우에도 안정적으로 방위와 거리를 계산할 수 있다.

Description

수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정방법{TARGET LOCATION ESTIMATING METHOD USING THREE-DIMENSIONAL SENSORS ARRAYS WITH REDUNDANCY IN PASSIVE SONAR FOR MEASURING DISTANCE}
본 발명은 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용하여 일부 센서에 고장이 발생하는 경우에도 안정적으로 방위와 거리를 계산할 수 있는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정방법에 관한 것이다.
수동 거리측정 소나는 함정에서 발생하는 소음원을 신호처리하여 수중 음향표적의 위치를 추정하는데 활용된다. 일반적으로 수동 거리측정 소나는 공간적으로 분산된 배열센서에 도달한 표적 신호의 시간차(Time Difference of Arrival)를 계산하고, 상기 시간차 정보를 이용하여 표적의 위치를 산출한다.
기존 소나에서는 분산된 배열 센서에 입력된 신호가 모두 정상이라고 판단하고 신호처리를 수행하고 있다. 그러나 일부 센서에 고장이 발생하거나 특이한 잡음 특성으로 인해 해당 센서에서 시간차 측정값에 오차가 발생하는 경우, 표적의 거리 측정이 제한되는 문제점이 있었다. 특히 일부 종래의 소나는 표적의 거리를 측정하기 위해 3개의 센서만을 이용하였으므로, 하나의 센서에 고장이 발생하면 남은 2개의 센서만으로 표적의 거리를 측정하는 것이 불가능한 문제점이 있었다.
또한, 종래의 소나에서는 수평 선배열과 수직 선배열을 이용하여 방위와 고각을 추정하는 것이 일반적이었다. 이렇게 추정한 방위는 도 1에 도시된 것과 같은 선배열의 원뿔 모호성(conical ambiguity)으로 인해 구면 좌표계의 방위와 일치하지 않는 문제점이 있었다.
또한, 고각 측정을 위한 수직 선배열의 경우, 일반적으로 설치 공간이 부족하여 정확한 수직선상에 설치하기가 어려우므로, 원뿔 모호성으로 인한 고각 오차가 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 이러한 방위와 고각을 구면 좌표계에서의 표적 방위와 고각으로 봐서 롤피치 보상을 실시하는 경우, 위치추정 정확도가 저하되는 문제점이 있었다.
공개특허공보 제2002-0011741호 (2002.02.09)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 센서간 신호가 입력된 시간차를 이용한 수동 거리측정 소나에 적용할 수 있고, 수동 다중 소노부이에서 수신 신호의 시간차를 이용한 거리측정을 위해 활용할 수 있는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법은 수평방향으로 4개 이상의 센서(이하, 수평방향센서)가 구비되고, 수직방향으로 1개 이상의 센서(이하, 수직방향센서)가 구비된 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법에 있어서, 표적으로부터 센서에 신호가 입력되는 단계(S100); 입력된 신호로부터 고장센서를 판단하는 단계(S200); 상기 고장센서를 배제하고, 상기 표적의 거리를 추정하는 단계(S300); 상기 표적의 방위를 추정하는 단계(S400); 상기 표적의 고각을 추정하는 단계(S500); 및 상기 추정된 표적의 위치에 대한 함정의 롤피치를 보상하는 단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용하여 일부 센서에 고장이 발생하는 경우에도 안정적으로 방위와 거리를 계산할 수 있다.
또한, 일부 센서가 특이한 잡음에 영향을 받아 시간차 측정값에 오차가 발생한 경우, 입체배열 센서 구조의 중복성을 이용하여 해당 센서를 판별하고 배제할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 입체배열 센서의 선배열에서 측정한 방위와 고각의 원뿔 모호성을 반영하여 정확한 롤피치 보상을 수행할 수 있다.
도 1은 종래기술에서 선배열의 방위측정에 따른 표적이치의 원뿔모호성을 설명하는 도면.
도 2는 종래기술에서 분산된 센서간 도달 시간차를 만족하는표적의 위치를 추정하는 방법을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명에서 표적의 위치를 추정하기 위한 중복성을 가지는 입체배열 센서의 배치도.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법의 순서도.
도 6은 본 발명에서 기울어진 센서배열(3번 및 5번 센서)의 고각 측정값 보상을 설명하는 도면.
도 7은 본 발명에서 함정의 롤피치 적용에 따른 회전 방향을 설명하는 도면.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 종래기술에서 분산된 센서간 도달 시간차를 만족하는 표적의 위치를 추정하는 방법을 설명하는 도면이고, 도 3은 본 발명에서 표적의 위치를 추정하기 위한 중복성을 가지는 입체배열 센서의 배치도이다. 도 2 및 도 3을 참조할 때, 종래기술 중 일반적으로 수동 거리측정 소나에서 음원의 위치를 추정하는 알려진 방법은 분산된 다중 센서에 도달한 신호의 시간차를 이용하는 것이다. 음속이 모든 지점에서 동일한 2차원 평면에서, 2개의 센서에 도달한 신호의 시간차를 만족하는 음원의 위치는 도 2에서와 같이 쌍곡선으로 주어지며, 여기서 센서가 하나 추가되면 새로운 쌍곡선이 음원 위치의 제약식으로 추가되므로 두 쌍곡선의 교점에서 음원의 위치가 결정된다. 따라서 평면에서 음원의 위치를 확정하기 위해서는 최소 3개의 분산된 센서가 필요하다. 그러나 이 경우 하나의 센서에만 고장이 발생하여도 표적의 위치 추정이 불가하며, 특이한 잡음으로 인해 특정 센서의 시간차 측정값에 과도한 오차가 발생한 경우에도 위치 추정이 어려워진다.
평면에서 센서의 개수가 4개 이상으로 늘어나면, 제약식 개수가 미지수의 개수보다 많아지며, 음원 위치는 제약식의 조건을 최대한 만족하는 지점에서 결정된다. 이는 도 2에서 알 수 있듯이, 4개의 센서를 이용하면 평면 상에 3개 이상의 쌍곡선이 출현하여 쌍곡선 사이의 교점이 여럿 출현하기 때문이다. 4개 이상의 분산 센서의 시간차를 이용하여 표적의 위치를 확정하는 문제는 최적화에 관한 문제로써 그 해법이 기존의 논문을 통해 많이 제시되었다. 기존에 제시된 일반적인 해법은 음원위치의 함수로 주어진 조건부 확률밀도함수를 최대화 하는 최우도 추정값을 얻는 것이다. 일반적으로 복잡한 비선형 최우도 함수를 최소화하기 위해 수치적이며 반복적인 알고리즘이 적용된다. 한편 이러한 최우도 추정 방법의 복잡성을 줄일 수 있도록 최소제곱 방법으로 근사적인 해를 구하는 방법이 많이 발견되었다. 이러한 방법을 적용하면 4개 이상의 다중 센서의 시간차 정보를 이용하여 표적의 최적 위치를 산출할 수 있다.
그러나 기존의 위치추정 방법들은 배열 센서에 입력된 신호가 모두 정상이라고 가정하고 모든 센서 정보를 이용하여 위치추정 오차를 최소화하는데 초점을 맞추고 있다. 따라서 한 개의 센서라도 문제가 발생하면 기존의 알고리즘에서의 위치 추정이 제한되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 센서의 고장이나 이상 현상이 발생하는 경우 이를 판별하여 배제할 수 있는 신뢰성 있는 위치추정 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예로서, 표적의 3차원 위치정보를 추정하기 위해, 도 3에 도시된 것과 같은 입체배열 센서를 적용하였다. 우선 표적의 거리를 측정하기 위해 y축 방향으로 중복성이 있는 4개 센서(1~4번)의 선배열을 배치하였으며, 고각을 측정하기 위해 수직 방향으로 1개 센서(5번)를 적용하였다. 함정에 센서 설치시 제약성을 반영하여 수직방향 센서(5번 센서)는 3번 센서와 정확한 수직선상에 존재하지 않는다고 가정하였다.
Figure 112015123822761-pat00001
번째 센서의 좌표는
Figure 112015123822761-pat00002
로 표현된다. 이하 본 발명에 따른 본 발명에 따른 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법의 순서도이고, 도 6은 본 발명에서 기울어진 센서배열(3번 및 5번 센서)의 고각 측정값 보상을 설명하는 도면이며, 도 7은 본 발명에서 함정의 롤피치 적용에 따른 회전 방향을 설명하는 도면이다. 도 4 내지 도 7를 참조할 때, 본 발명에 따른 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법은 수평방향으로 4개 이상의 센서가 구비되고, 수직방향으로 1개 이상의 센서가 구비된 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법에 있어서, 표적으로부터 센서에 신호가 입력되는 단계(S100); 입력된 신호로부터 고장센서를 판단하는 단계(S200); 상기 고장센서를 배제하고, 상기 표적의 거리를 추정하는 단계(S300); 상기 표적의 방위를 추정하는 단계(S400); 상기 표적의 고각을 추정하는 단계(S500); 및 상기 추정된 표적의 위치에 대한 함정의 롤피치를 보상하는 단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
표적으로부터 센서에 신호가 입력되는 단계(S100)를 수행하는 것은 본 발명의 표적 위치추정 방법이 센서 사이의 시간차 측정값을 그 입력값으로 하기 때문이다.
상기 고장센서를 판단하는 단계(S200)는 수평방향센서(1번 내지 4번 센서)의 고장여부를 판별하는 단계(S210); 상기 수평방향센서 중 수직방향센서에 대해 수직방향에 위치한 센서(3번 센서)가 고장이 아닌 경우에는 수직방향센서(5번 센서)의 고장여부를 판별하는 단계(S220); 상기 수평방향센서 중 2개 이상이 고장인지 판단하는 단계(S230); 및 상기 수평방향센서 중 어느 하나가 고장인지 판단하는 단계(S240);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수평방향센서의 고장여부를 판별하는 단계(S210)는 하기의 수식에 따라 각각의 수평방향센서 사이의 표적의 신호가 입력된 시간차를 측정하는 단계(S211);를 포함한다.
Figure 112015123822761-pat00003
단,
Figure 112015123822761-pat00004
은 표적에서 송신된 신호가
Figure 112015123822761-pat00005
번 센서에 도달한 시간(time of arrival)이고,
Figure 112015123822761-pat00006
는 기준센서의 번호이며,
Figure 112015123822761-pat00007
는
Figure 112015123822761-pat00008
번 센서와
Figure 112015123822761-pat00009
번 센서의 입력 신호의 도달 시간차를 의미한다.
상기 수평방향센서의 고장여부를 판별하는 단계(S210)는 하기의 수식에 따라, 각각의 수평방향센서 사이의 측정된 시간차(
Figure 112015123822761-pat00010
)를 각각의 수평방향센서 사이의 거리(
Figure 112015123822761-pat00011
)로 나눈 값의 최대값과 최소값의 차의 절대값이 기 설정된 제 1 문턱값(
Figure 112015123822761-pat00012
)을 초과하는 경우에는 해당 수평방향센서(
Figure 112015123822761-pat00013
)를 고장으로 판별하는 단계(S212);를 포함한다.
Figure 112015123822761-pat00014
단,
Figure 112015123822761-pat00015
는
Figure 112015123822761-pat00016
번 센서와
Figure 112015123822761-pat00017
번 센서 사이의 거리이다. 또한, 상기 기 설정된 제 1 문턱값(
Figure 112015123822761-pat00018
)은 센서의 성능 등에 따라 달리 설정될 수 있다.
상기 수직방향센서의 고장여부를 판별하는 단계(S220)는 하기의 수식을 만족하는 경우에는, 수직방향센서(5번 센서)를 고장으로 판별하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015123822761-pat00019
단,
Figure 112015123822761-pat00020
는 수중에서의 음속으로서, 대략 1500 m/s 정도의 속도를 가진다. 즉, 수직방향센서(5번 센서)의 경우에는 중복성이 없어 상기와 같은 방법(S212)을 적용할 수 없으므로, 고장 여부를 판단하기 위해 시간차 동안 음속의 전파거리가 센서간 거리를 초과하는지 여부를 판단하는 것이다.
상기 표적의 거리를 추정하는 단계(S300)는 상기 수평방향센서 중 어느 하나가 고장인 경우에는 고장으로 판별된 센서(이하, 고장센서)를 배제한 후, 하기의 수식과 같은 구면보간(Spherical interploation) 방법을 적용하여 표적까지의 거리(이하, 표적거리)를 추정하는 단계(S310);를 포함한다.
Figure 112015123822761-pat00021
단,
Figure 112015123822761-pat00022
은 표적까지의 거리이고,
Figure 112015123822761-pat00023
이며,
Figure 112015123822761-pat00024
이고,
Figure 112015123822761-pat00025
이며,
Figure 112015123822761-pat00026
이고,
Figure 112015123822761-pat00027
은 표적거리의 추정에 참여하는 센서의 번호이고,
Figure 112015123822761-pat00028
는 기준센서의 번호이다.
즉, 고장 센서를 판별한 뒤에는 고장 센서의 유무에 따라 거리추정 방법이 달라진다. 4개의 센서(1~4번) 중에 고장 센서가 하나도 없는 경우, 모든 센서를 이용하여 표적의 위치추정이 이루어져야 한다. 고장 센서가 하나만 존재하는 경우에는 이를 배제하고 거리를 추정할 수 있다. 한편, 고장 센서가 2개 이상인 경우에는 쌍곡선 위에서 위치의 모호성이 발생하여 거리를 추정할 수 없다.
또한, 상기 표적의 거리를 추정하는 단계(S300)는 상기 수평방향센서 중 고장센서가 없는 경우에는 상기 구면보간 방법에 의해, 3개의 수평방향센서로부터 추정된 표적거리를 각각 도출하는 단계(S320); 도출된 각각의 표적거리의 최대값과 최소값의 차가 기 설정된 제 2 문턱값(
Figure 112015123822761-pat00029
)을 초과하는지 판단하는 단계(S330); 추정된 각각의 표적거리의 최대값과 최소값의 차가 기 설정된 제 2 문턱값(
Figure 112015123822761-pat00030
)을 초과하는 경우에는 기 설정된 거리값 미만의 표적거리를 배제하는 단계(S340); 및 각각의 표적거리의 중위값(MEDIAN)을 함정으로부터의 표적거리로 추정하는 단계(S350);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 고장 센서가 하나도 없지만 특이한 잡음의 영향으로, 한 센서의 시간차 측정값에 큰 오차가 발생하는 경우에도, 본 발명에서 적용한 센서 배열의 중복성을 활용하면 이러한 하나의 센서에서 발생한 오차는 다음과 같은 방법을 적용하여 배제할 수 있다. 우선 4개의 센서 중에 3개의 센서만을 이용하여 거리를 계산한다. 3개 센서의 조합은 4개가 존재하므로, 4개의 거리 추정값을 얻는다. 4개의 거리 추정값의 최대값과 최소값의 차이가 기 설정된 한 제 2 문턱값(
Figure 112015123822761-pat00031
)을 넘는 경우, 이상 센서가 있다고 판단하고 4개의 거리값 중 기 설정된 거리값 미만의 근거리에 해당되는 값을 배제한 뒤, 나머지에서 중위값(median)을 취한다. 이는 이상 센서가 포함된 센서 조합에 의해 계산된 거리는 음수이거나 지나치게 작은 값이 발생할 수 있기 때문이다. 이상의 방법에서 3개 이상의 센서를 이용하여 거리를 계산할 때에, 상기와 같은 알려진 구면보간(spherical interploation) 방법을 적용할 수 있다.
상기 기 설정된 한 제 2 문턱값(
Figure 112015123822761-pat00032
) 및 상기 기 설정된 거리값은 센서의 성능 등에 따라 달리 설정될 수 있다.
상기와 같은 과정을 통해 최대 한 개 센서의 고장이나 특이한 잡음의 영향으로 인해 오차가 발생한 경우, 오차가 발생한 센서를 배제할 수 있는 것이다. 이는 거리를 추정하려면 최소 3개의 센서가 필요한데, 본 발명의 일 실시 예에서 적용된 센서의 개수는 4개로써 1개의 중복성이 존재하기 때문이다. 만약, 2개 이상의 중복성이 존재한다면 위와 같은 방법에서 유추하여 2개 이상의 고장 센서 또는 신호대 잡음비가 낮은 센서를 배제하는 로직을 적용할 수도 있다.
상기 표적의 방위를 추정하는 단계(S400)는 수평방향센서가 2개 이상 정상인 경우에는 하기의 수식에 따라 표적의 방위를 추정하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015123822761-pat00033
단,
Figure 112015123822761-pat00034
는 고장센서 번호의 집합이고,
Figure 112015123822761-pat00035
이다.
한편 표적의 방위를 추정하는 것은 원거리 표적을 가정하면 정상인 2개의 센서만으로 상기와 같이 방위를 추정할 수 있다. 단, 정상인 센서의 개수가 1개 이하인 경우에는 시간차 정보가 없으므로 방위를 추정할 수 없다. 산출된 방위는 구면 좌표계의 방위가 아닌, 도 1에 도시된 y축을 중심으로 한 원뿔 모호성을 가지는 방위를 의미한다.
상기 표적의 고각을 추정하는 단계(S500)는 수평방향센서 중 수직방향센서에 대해 수직방향에 위치한 센서(3번 센서) 및 수직방향센서(5번 센서)가 정상인 경우에는, 하기의 수식에 따라 표적의 고각후보(
Figure 112015123822761-pat00036
,
Figure 112015123822761-pat00037
)를 추정하는 단계(S510);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015123822761-pat00038
단,
Figure 112015123822761-pat00039
및
Figure 112015123822761-pat00040
는 고각후보이고,
Figure 112015123822761-pat00041
이고,
Figure 112015123822761-pat00042
이고,
Figure 112015123822761-pat00043
이고,
Figure 112015123822761-pat00044
이고,
Figure 112015123822761-pat00045
이고,
Figure 112015123822761-pat00046
이고,
Figure 112015123822761-pat00047
는 추정된 방위각이다. 또한, 수평방향센서 중 수직방향센서에 대해 수직방향에 위치한 센서(3번 센서) 및 수직방향센서(5번 센서)의 y좌표는 동일하다고 가정한다.(도 3 참조)
또한, 상기 표적의 고각을 추정하는 단계(S500)는 상기 표적의 고각후보에 표적이 존재하는 경우, 각각의 예상되는 시간차(
Figure 112015123822761-pat00048
)를 계산하는 단계(S520); 상기 예상되는 시간차(
Figure 112015123822761-pat00049
) 중 측정된 시간차(
Figure 112015123822761-pat00050
)에 더 가까운 시간차를 갖는 고각을 상기 표적의 고각으로 선택하는 단계(S530);를 포함한다.
즉, 앞서 두 개의 고각 후보를 얻었으므로 이로부터 하나의 고각을 선택하는 것이다. 이를 위해 두 고각 후보에 표적이 존재할 경우 예상되는 시간차(
Figure 112015123822761-pat00051
)를 계산하고, 측정된 시간차(
Figure 112015123822761-pat00052
)에 근접한 고각을 선택하는 것이다. 한편, 두 시간차(
Figure 112015123822761-pat00053
)가 측정된 시간차(
Figure 112015123822761-pat00054
)와 동일한 거리에 있는 경우에는 뒤에서 기술한 롤피치 보상(S600)을 실시한 이후, 롤피치보상 후 예상되는 시간차(
Figure 112015123822761-pat00055
)를 다시 계산하여, 측정된 시간차(
Figure 112015123822761-pat00056
)에 근접한 고각을 선택할 수 있다.
상기 롤피치를 보상하는 단계(S600)는 하기의 수식에 따라, 롤피치가 보상된 표적의 방위각(
Figure 112015123822761-pat00057
) 및 롤피치가 보상된 표적의 고각(
Figure 112015123822761-pat00058
)을 도출하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015123822761-pat00059
Figure 112015123822761-pat00060
(단,
Figure 112015123822761-pat00061
는 헤딩각(rad)이고,
Figure 112015123822761-pat00062
는 피치각(rad)이고,
Figure 112015123822761-pat00063
은 롤각(rad)이고,
Figure 112015123822761-pat00064
이고,
Figure 112015123822761-pat00065
이고,
Figure 112015123822761-pat00066
이고,
Figure 112015123822761-pat00067
이고,
Figure 112015123822761-pat00068
는 추정된 방위각이고,
Figure 112015123822761-pat00069
는 추정된 고각임.)
롤피치 보상은 도 7에 도시된 것과 같이 함정(자함)의 롤피치 현상에 의하여 함중심 좌표계가 회전된 경우, 측정된 방위와 고각을 회전하기 전의 좌표계의 방위로 환산하는 것이다. 앞서 계산된 방위와 고각은 도 7에서 회전된 함중심 좌표계에서 y축과 z축을 기준으로 하는 원뿔각에 해당하므로, 회전하기 전의 관성 좌표계에서의 yo축과 zo축을 기준으로하는 원뿔각인 방위 와 고각 을 얻으려면 롤피치 보상을 실시하여야 한다.
롤피치 보상을 수행하면 선배열에 의한 x축을 기준으로 좌우 모호성을 반영하여 상기의 수학식과 같이 2개의 방위가 도출된다. 표적의 좌우 여부는 사전에 알고 있다고 가정하고, 표적이 우현에 존재하는 경우 수학식 7 중 위의 식을, 좌현의 존재하는 경우 수학식 7 중 밑의 식을 적용하게 된다. 마지막으로 롤피치 보상을 하여 얻은 방위는 자함의 헤딩을 기준으로 하는 원뿔각에 해당하므로, 최종적으로 헤딩 보상을 적용한다. 이와 같이 제안된 발명의 롤피치 보상 방법은, 기존의 방법과 달리 수평 방위각과 기울어진 수직 센서의 고각 정보를 모두 활용하여 정확한 보상을 수행할 수 있다.
앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.
201 센서 1의 위치
202 센서 2의 위치
203 센서 3의 위치
204 센서 4의 위치
205 센서 1과 센서 2의 시간차를 만족하는 표적 위치의 제약식(쌍곡선)
206 센서 2와 센서 3의 시간차를 만족하는 표적 위치의 제약식(쌍곡선)
207 센서 3과 센서 4의 시간차를 만족하는 표적 위치의 제약식(쌍곡선)
208 센서간 도달 시간차를 만족하는 표적의 최종 위치 추정값
301 1번 센서의 위치
302 2번 센서의 위치
303 3번 센서의 위치
304 4번 센서의 위치
305 5번 센서의 위치

Claims (13)

  1. 수평방향으로 4개 이상의 센서(이하, 수평방향센서)가 구비되고, 수직방향으로 1개 이상의 센서(이하, 수직방향센서)가 구비된 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법에 있어서,
    표적으로부터 센서에 신호가 입력되는 단계(S100);
    입력된 신호로부터 고장센서를 판단하는 단계(S200);
    상기 고장센서를 배제하고, 상기 표적의 거리를 추정하는 단계(S300);
    상기 표적의 방위를 추정하는 단계(S400);
    상기 표적의 고각을 추정하는 단계(S500); 및
    상기 추정된 표적의 방위 및 고각에 대한 함정의 롤피치를 보상하는 단계(S600);를 포함하며,
    상기 고장센서를 판단하는 단계(S200)는 복수 개의 수평방향센서의 고장여부를 각각 판별하는 단계(S210);
    상기 수평방향센서 중 상기 수직방향센서에 대해 수직방향에 위치한 센서가 고장이 아닌 경우에는 상기 수직방향센서의 고장여부를 판별하는 단계(S220);
    상기 수평방향센서 중 2개 이상이 고장인지 판단하는 단계(S230); 및
    상기 수평방향센서 중 어느 하나가 고장인지 판단하는 단계(S240);
    를 포함하고,
    상기 수평방향센서의 고장여부를 판별하는 단계(S210)는 하기의 수식에 따라 각각의 수평방향센서 사이의 표적의 신호가 입력된 시간차를 측정하는 단계(S211);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법.
    Figure 112017102656068-pat00138

    (단,
    Figure 112017102656068-pat00139
    은 표적에서 송신된 신호가
    Figure 112017102656068-pat00140
    번 센서에 도달한 시간(time of arrival)이고,
    Figure 112017102656068-pat00141
    는 기준센서의 번호이며,
    Figure 112017102656068-pat00142
    는
    Figure 112017102656068-pat00143
    번 센서와
    Figure 112017102656068-pat00144
    번 센서의 입력 신호의 도달 시간차임.)
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수평방향센서의 고장여부를 판별하는 단계(S210)는 하기의 수식에 따라, 각각의 수평방향센서 사이의 측정된 시간차(
    Figure 112017102656068-pat00077
    )를 각각의 수평방향센서 사이의 거리(
    Figure 112017102656068-pat00078
    )로 나눈 값의 최대값과 최소값의 차의 절대값이 기 설정된 제 1 문턱값(
    Figure 112017102656068-pat00079
    )을 초과하는 경우에는 해당 수평방향센서(
    Figure 112017102656068-pat00080
    )를 고장으로 판별하는 단계(S212);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법.
    Figure 112017102656068-pat00081

    (단,
    Figure 112017102656068-pat00082
    는
    Figure 112017102656068-pat00083
    번 센서와
    Figure 112017102656068-pat00084
    번 센서 사이의 거리임.)
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 수직방향센서의 고장여부를 판별하는 단계(S220)는 하기의 수식을 만족하는 경우에는, 상기 수직방향센서를 고장으로 판별하는 것을 특징으로 하는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법.
    Figure 112015123822761-pat00085

    (단,
    Figure 112015123822761-pat00086
    는 수중에서의 음속이고,
    Figure 112015123822761-pat00087
    는 수평방향센서 중 수직방향센서에 대해 수직방향에 위치한 센서와 수직방향센서의 입력 신호의 도달 시간차이고,
    Figure 112015123822761-pat00088
    는 수평방향센서 중 수직방향센서에 대해 수직방향에 위치한 센서와 수직방향센서의 거리임.)
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 표적의 거리를 추정하는 단계(S300)는 상기 수평방향센서 중 어느 하나가 고장인 경우에는 고장으로 판별된 센서(이하, 고장센서)를 배제한 후, 하기의 수식과 같은 구면보간(Spherical interploation) 방법을 적용하여 표적까지의 거리(이하, 표적거리)를 추정하는 단계(S310); 및
    상기 수평방향센서 중 고장센서가 없는 경우에는 상기 구면보간 방법에 의해, 3개의 수평방향센서로부터 추정된 표적거리를 각각 도출하는 단계(S320);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법.
    Figure 112017102656068-pat00089

    (단,
    Figure 112017102656068-pat00090
    은 표적까지의 거리이고,
    Figure 112017102656068-pat00091
    이며,
    Figure 112017102656068-pat00092
    이고,
    Figure 112017102656068-pat00093
    이며,
    Figure 112017102656068-pat00094
    이고,
    Figure 112017102656068-pat00095
    은 표적거리의 추정에 참여하는 센서의 번호이고,
    Figure 112017102656068-pat00096
    는 기준센서의 번호임.)
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 표적의 거리를 추정하는 단계(S300)는 도출된 각각의 표적거리의 최대값과 최소값의 차가 기 설정된 제 2 문턱값(
    Figure 112015123822761-pat00097
    )을 초과하는지 판단하는 단계(S330);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 표적의 거리를 추정하는 단계(S300)는 추정된 각각의 표적거리의 최대값과 최소값의 차가 기 설정된 제 2 문턱값(
    Figure 112015123822761-pat00098
    )을 초과하는 경우에는 기 설정된 거리값 미만의 표적거리를 배제하는 단계(S340);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 표적의 거리를 추정하는 단계(S300)는 각각의 표적거리의 중위값(MEDIAN)을 함정으로부터의 표적거리로 추정하는 단계(S350);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 표적의 방위를 추정하는 단계(S400)는 수평방향센서가 2개 이상 정상인 경우에는 하기의 수식에 따라 표적의 방위(
    Figure 112015123822761-pat00099
    )를 추정하는 것을 특징으로 하는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법.
    Figure 112015123822761-pat00100

    (단,
    Figure 112015123822761-pat00101
    는 고장센서 번호의 집합이고,
    Figure 112015123822761-pat00102
    임.)
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 표적의 고각을 추정하는 단계(S500)는 상기 수평방향센서 중 상기 수직방향센서에 대해 수직방향에 위치한 센서 및 상기 수직방향센서가 정상인 경우에는, 하기의 수식에 따라 표적의 고각후보(
    Figure 112015123822761-pat00103
    ,
    Figure 112015123822761-pat00104
    )를 추정하는 단계(S510);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법.
    Figure 112015123822761-pat00105

    (단,
    Figure 112015123822761-pat00106
    및
    Figure 112015123822761-pat00107
    는 고각후보이고,
    Figure 112015123822761-pat00108
    이고,
    Figure 112015123822761-pat00109
    이고,
    Figure 112015123822761-pat00110
    이고,
    Figure 112015123822761-pat00111
    이고,
    Figure 112015123822761-pat00112
    이고,
    Figure 112015123822761-pat00113
    이고,
    Figure 112015123822761-pat00114
    는 추정된 방위각임)
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 표적의 고각을 추정하는 단계(S500)는 상기 표적의 고각후보에 표적이 존재하는 경우 예상되는 각각의 시간차(
    Figure 112015123822761-pat00115
    )를 계산하는 단계(S520);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 예상되는 시간차(
    Figure 112015123822761-pat00116
    ) 중 측정된 시간차(
    Figure 112015123822761-pat00117
    )에 더 가까운 시간차를 갖는 고각을 상기 표적의 고각으로 선택하는 단계(S530);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 롤피치를 보상하는 단계(S600)는 하기의 수식에 따라, 롤피치가 보상된 표적의 방위각(
    Figure 112015123822761-pat00118
    ) 및 롤피치가 보상된 표적의 고각(
    Figure 112015123822761-pat00119
    )을 도출하는 것을 특징으로 하는 수동 거리측정 소나에서 중복성을 가지는 입체배열 센서를 이용한 표적 위치추정 방법.
    Figure 112015123822761-pat00120

    Figure 112015123822761-pat00121

    (단,
    Figure 112015123822761-pat00122
    는 헤딩각(rad)이고,
    Figure 112015123822761-pat00123
    는 피치각(rad)이고,
    Figure 112015123822761-pat00124
    은 롤각(rad)이고,
    Figure 112015123822761-pat00125
    이고,
    Figure 112015123822761-pat00126
    이고,
    Figure 112015123822761-pat00127
    이고,
    Figure 112015123822761-pat00128
    이고,
    Figure 112015123822761-pat00129
    는 추정된 방위각이고,
    Figure 112015123822761-pat00130
    는 추정된 고각임.)
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