KR101873273B1 - 반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법 - Google Patents

반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법을 공개한다. 이 방법은 (a) 전방향성 안테나의 고정 노드와 이동 노드 간의 움직임 파라미터가 정의 되는 단계; (b) 상기 고정 노드와 상기 이동 노드 사이의 상대 위치 및 자세에 따른 신호 감쇠 인자가 정의되는 단계; (c) 반 전력 빔 폭을 이용하여 송신 안테나 및 수신 안테나가 동일한 수직 위치에 있을 때의 직진성이 산출되는 단계; (d) 상기 직진성에 단일 안테나의 수직 위치 변화에 따른 패턴 모델을 승산하여 전방향성 안테나의 수직면에 대한 이득 패턴이 모델링되는 단계; (e) 전방향성 안테나의 수직면(E-plane) 영역에서의 개별 지향성이 모델링되는 단계; (f) 상기 신호 감쇠 인자를 이용하여 수평면(H-plane) 및 수직면 (E-plane)에 대해서 전방향 안테나의 3차원 전자기파 방사 패턴이 일반화 모델링되는 단계; 및 (g) 상기 3차원 전자기파 방사 패턴을 이용하여 수중 물체의 위치가 추정되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법{A 3-D underwater location estimating method using a half power beam width}
본 발명은 수중 위치 추정 방법에 관한 것으로서, 특히 전자기파를 이용한 3차원 수중 위치 추정 시스템에서 전방향성 안테나의 수직 평면의 전체 방향 중 감쇠가 적게 일어나는 영역을 설정하고, 반 전력 빔 폭의 빔 패턴 특성을 이용하여 안테나의 지향성 모델을 결정하는 상수를 구함으로써, 초음파 위치 추정 방법보다 추정 정밀도를 향상시키고 근거리 작업에서도 3차원 수중 위치를 추정할 수 있는 반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수중 환경에서 로봇을 활용한 무인 작업을 수행하기 위해서는 수중 로봇의 상대적 또는 절대적인 위치를 파악할 수 있는 능력이 요구되며, 이를 해결하기 위해 현재까지 다수의 수중 위치 추정 연구가 진행된 바 있다.
가장 기본적으로 로봇 자체의 항법센서(INS)를 활용하는 방법이 있으며, 도플러 속도 로그(DVL: Doppler Velocity Log), 측면 주사 초음파(Side-scan sonar)를 이용하는 방법과 같이 지형 지물 또는 선박에 설치된 노드까지 초음파의 반사파가 도달하는 시간(TOA: Time of arrival)을 이용하여 노드 간 거리를 알아내는 방법, 광학 센서(Vision)를 이용하여 특정 지점의 표식을 검출하여 위치를 알아내는 방법, 전자기파의 수중 신호 감쇠를 이용한 거리 추정을 사용하는 방법 등이 있다.
이 가운데 수중 전달 성능이 좋은 초음파를 사용하는 도플러 속도 로그를 이용한 방법과 도 1에 도시된 베이스라인(Baseline) 시스템 등이 많이 사용되고 있다.
도 1은 수중 로봇의 상대적 또는 절대적인 위치를 추정하는 베이스라인 시스템의 개략적인 구성도이다.
도플러 속도 로그를 이용한 방법은 초음파를 이용한 자가항법에 사용되는데, 해저면에 반사되어 되돌아오는 초음파의 위상 차를 이용하여 선체의 움직임에 따른 속도와 방향벡터를 추정한다.
이는 주로 로봇의 현 위치 대비 움직임을 알아내는 방법으로서, 수 Hz의 정보 갱신 주기를 가지고 있다.
베이스라인 시스템은 현재 위치에 대비하여 새로운 위치와 방향을 추정하는 도플러 속도 로그를 이용한 방법과 다르게, 고정된 절대위치 노드에 대해 로봇의 상대적인 위치를 초음파의 위상차 혹은 도달 시간(Time Of Arrival, TOA)를 이용하여 추정하는 방식이다.
한편, 초음파 위치 추정 시스템은 현재 가장 널리 사용되고 입증이 된 시스템으로서, 넓은 범위에서 선박과 로봇 사이의 위치를 상대적으로 추정하기 위해 사용된다.
하지만, 수중 초음파의 사용은 연근해 환경이나 복잡한 구조물 등이 설치된 지역에서는 다중 경로 효과가 발생하기 때문에, 추정 정밀도가 떨어지거나 잘못된 정보가 얻어지는 경우가 발생하는 문제점이 있다.
또한, 높은 정밀도가 요구되는 구조물 시공 등 매니퓰레이터나 작업 툴을 사용하는 근거리 작업에서는 사용이 불가능하다는 단점이 있다.
이에 대한 대안으로 전자기파의 신호감쇠를 이용하여 구조화된 환경이나 근거리에서 수중 위치를 추정할 수 있는 기법에 대한 연구가 진행되었으며, 수중에서 전자기파의 거리와 매질에 따른 신호감쇠 연구, 수중 거리 감쇠 모델 및 2차원 위치 인식에 대한 연구 결과들을 통해 전자기파를 이용하여 실험 수조 내에서 수 cm 수준의 위치 추정이 가능한 것이 확인된 바 있다.
이는 기존 초음파를 이용한 위치 추정 시스템과는 다르게 근거리에서 정밀한 추정이 요구되는 환경에서 전자기파 기반의 위치 추정 시스템이 사용될 수 있음을 의미한다.
그러나, 현재까지 제안된 전자기파 감쇠를 이용한 위치 추정 방법은 전방향성 안테나의 수평면(H-plane) 감쇠 모델을 이용하여 2차원 평면에서만 수행되었으며, 3차원 위치 추정을 위해 필요한 수직면(E-plane) 특성인 안테나 사이의 상대 높이 차이와 자세에 따른 신호 감쇠 모델은 제안된 바가 없다.
도 2는 일반적인 구형 좌표계에서의 전방향성 안테나의 감쇠 평면을 나타낸 도면이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 전방향성 안테나의 방사 특성 분석을 위한 구형 좌표계(Spherical coordinator)는 기본적인 전자기파 감쇠 요소인 거리()를 중심으로 좌표계를 표현하는 방식이기 때문에 전자기파의 거리와 복사에 의한 감쇠 인자를 정의하기에 적합한 좌표계이다.
하지만, 수평면인 H-평면(H-plane)에 대해서는 거리에 따라 일정한 진원에 가까운 특성을 보이지만, 수직면인 E-평면(E-plane)에 대해서는 거리에 따라 일정하지 않은 패턴을 보이는 한계가 있다.
또한, 안테나의 방향에 따른 패턴 손실을 고려하는 것보다 이상적인 방향성 수치만을 이용하는 경우가 많아, 등방성 안테나를 사용하는 경우에는 적합하지만 다른 특정 안테나를 사용할 경우 실제로 고려하기 어려운 한계가 있었다.
이에 본 발명자들은 전자기파를 이용한 3차원 수중 위치추정 시스템을 위해 전방향성 안테나의 수직 평면 환경에서의 이득 패턴 모델을 정의하고, 이를 도출하기 위해 전방향성 안테나의 이득 패턴 결정 요소인 반 전력 빔 폭을 이용하여 안테나의 수직 평면에 대한 이득 패턴을 분석하고, 이에 따른 지향성 모델 및 효율을 포함한 이득 모델을 고안하기에 이르렀다.
(특허문헌 1) KR 2001-0084203 A
본 발명의 목적은 전자기파를 이용한 3차원 수중 위치 추정 시스템에서 전방향성 안테나의 수직 평면의 전체 방향 중 감쇠가 적게 일어나는 영역을 설정하여 그 범위 내에 이동 안테나가 위치하면 동일 깊이에 있는 안테나와 유사한 모델로 추정하고, 반 전력 빔 폭의 빔 패턴 특성을 이용하여 안테나의 지향성 모델을 결정하는 상수를 구할 수 있는 반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법은 (a) 전방향성 안테나의 고정 노드와 이동 노드 간의 움직임 파라미터가 정의 되는 단계; (b) 상기 고정 노드와 상기 이동 노드 사이의 상대 위치 및 자세에 따른 신호 감쇠 인자가 정의되는 단계; (c) 반 전력 빔 폭을 이용하여 송신 안테나 및 수신 안테나가 동일한 수직 위치에 있을 때의 직진성이 산출되는 단계; (d) 상기 직진성에 단일 안테나의 수직 위치 변화에 따른 패턴 모델을 승산하여 전방향성 안테나의 수직면에 대한 이득 패턴이 모델링되는 단계; (e) 전방향성 안테나의 수직면(E-plane) 영역에서의 개별 지향성이 모델링되는 단계; (f) 상기 신호 감쇠 인자를 이용하여 수평면(H-plane) 및 수직면 (E-plane)에 대해서 전방향 안테나의 3차원 전자기파 방사 패턴이 일반화 모델링되는 단계; 및 (g) 상기 3차원 전자기파 방사 패턴을 이용하여 수중 물체의 위치가 추정되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법의 상기 직진성은 다음과 같은 수학식에 의해 산출되고,
Figure 112016071684748-pat00001
상기 반 전력 빔 폭(HPBW)은 동일 거리 상에서 상기 송신 안테나를 기준으로 상기 수신 안테나를 회전시켜 상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나가 동일 수평면에 위치할 때의 최대 신호 세기 대비 0.5 배에 해당하는 신호 세기가 나오는 두 지점 사이의 각인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법의 상기 (b) 단계는 (b-1) 상기 고정 노드와 상기 이동 노드 사이의 거리(
Figure 112016071684748-pat00002
), 회전각(
Figure 112016071684748-pat00003
) 및 앙각 (
Figure 112016071684748-pat00004
)을 통해 위치 손실 인자가 정의되는 단계; 및 (b-2) 상기 고정 노드와 상기 이동 노드 사이의 안테나간 분극에 대한 롤 각도(
Figure 112016071684748-pat00005
), 경사에 대한 피치 각도(
Figure 112016071684748-pat00006
) 및 요잉 운동에 따른 요잉 각도(
Figure 112016071684748-pat00007
)를 통해 자세 손실 인자가 정의되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법의 상기 (b-1) 단계는 송신된 에너지 밀도 및 수신단 면적을 이용하여 매질에 따른 감쇠를 통해 상기 거리에 따른 신호 감쇠 함수가 산출되는 단계; 및 전자기파의 방향과 수평면과의 앙각을 이용하여 상기 앙각 (
Figure 112016071684748-pat00008
)에 따른 앙각 손실 인자 함수가 산출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법의 상기 (b-2) 단계는 상기 이동 노드의 롤 회전으로 인해 전자기파를 구성하는 전기장과 자기장의 부정합에 따른 감쇠를 통해 상기 롤 각도(
Figure 112016071684748-pat00009
)에 따른 신호 감쇠 함수가 산출되는 단계; 및 상기 고정 노드 대비 상기 이동 노드의 피치 회전으로 인해 상기 피치 각도(
Figure 112016071684748-pat00010
)에 따른 경사 손실 인자 함수가 산출되는 단계; 를 포함하고, 상기 앙각 손실 인자 함수 및 상기 경사 손실 인자 함수를 이용하여 안테나의 위치에 따른 감쇠 모델이 조합되어 상기 3차원 전자기파 방사 패턴이 일반화 모델링되는 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, 연근해 환경이나 복잡한 구조물 등이 설치된 지역에서 다중 경로 현상이 발생하는 초음파 위치 추정 방법보다 추정 정밀도를 향상시키고 수중 위치 정보 추정의 오류를 방지할 수 있다.
또한, 높은 정밀도가 요구되는 구조물 시공 등 매니퓰레이터나 작업 툴을 사용하는 근거리 작업에서도 3차원 수중 위치 추정이 가능하게 된다.
도 1은 수중 로봇의 상대적 또는 절대적인 위치를 추정하는 베이스라인 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 일반적인 구형 좌표계에서의 전방향성 안테나의 감쇠 평면을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 4는 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 위치 손실 인자를 나타내기 위한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 자세 손실 인자를 나타내기 위한 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 앙각 손실 인자를 나타내기 위한 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법에서 송수신 안테나의 앙각에 의한 안테나의 감쇠 효과를 나타내기 위한 도면이다.
도 8은 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법에서 반 전력 빔 폭을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 전방향성 안테나의 방사패턴을 나타내기 위한 도면이다.
도 10은 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 송 수신 안테나 간 공진에 의한 전자기파의 전달과정을 나타내기 위한 도면이다.
도 11은 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 경사 손실 인자를 나타내기 위한 도면이다.
도 12는 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 앙각 손실 인자 및 경사 손실 인자의 조합을 나타내기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 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 3은 본 발명에 따른 반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 4는 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 위치 손실 인자를 나타내기 위한 도면으로서, 전방향 안테나의 고정 노드(100) 및 이동 노드(200-1, 200-2)를 포함한다.
도 5는 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 자세 손실 인자를 나타내기 위한 도면으로서, 전방향 안테나의 고정 노드(100) 및 이동 노드(200-1, 200-2)를 포함한다.
도 6은 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 앙각 손실 인자를 나타내기 위한 도면으로서, 전방향 안테나의 고정 노드(100) 및 이동 노드(200-1, 200-2)를 포함한다.
도 7은 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법에서 송수신 안테나의 앙각에 의한 안테나의 감쇠 효과를 나타내기 위한 도면으로서, 전방향 안테나의 고정 노드(100) 및 이동 노드(200-1, 200-2)를 포함한다.
도 8은 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법에서 반 전력 빔 폭을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 전방향성 안테나의 방사패턴을 나타내기 위한 도면으로서, 전방향 안테나의 고정 노드(100)를 포함한다.
도 10은 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 송 수신 안테나 간 공진에 의한 전자기파의 전달과정을 나타내기 위한 도면으로서, 전방향 안테나의 고정 노드(100) 및 이동 노드(200-1)를 포함한다.
도 11은 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 경사 손실 인자를 나타내기 위한 도면으로서, 전방향 안테나의 고정 노드(100) 및 이동 노드(200-2)를 포함한다.
도 12는 도 3에 도시된 수중 위치 추정 방법의 앙각 손실 인자 및 경사 손실 인자의 조합을 나타내기 위한 도면으로서, 전방향 안테나의 고정 노드(100) 및 이동 노드(200-1, 200-2)를 포함한다.
도 2 내지 도 12를 참조하여 본 발명에 따른 반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법의 동작을 설명하면 다음과 같다.
전자기파 감쇠 인자
전자기파의 송수신에 따른 감쇠는 크게 전자기파가 통과하는 매질과 전자기파 복사 및 안테나 특성에 따른 공진 면적에 의해 결정된다.
먼저, 매질에 따른 감쇠 특성은 맥스웰에 의해 제안된 다음의 수학식 1과 같이 감쇠상수 α에 따라 거리에 대해서 기하급수적으로 감쇠하는 경향을 보여준다.
Figure 112016071684748-pat00011
여기에서, PT는 송신 에너지, PR은 수신 에너지를 의미하고, 감쇠상수 α는 도전율 σ, 투자율 μ, 유전율 ε에 의해 수학식 2와 같이 주어진다.
도전율은 도체 매질 내에 분포된 자유전자의 수에 따라 얼마나 전기를 잘 흐르게 하느냐를 나타내는 값이며, 투자율은 매질 혹은 물질의 내부에서 자속(magnetic Flux)이 얼마나 잘 통과되는지를 나타내고, 유전율은 전기장이 유전체를 통과할 경우 유전 분극 현상이 일어나 전기장에 대해 반대 방향으로 분극에 의한 전기장이 생기고 이로 인해 유전체 내의 전기장이 약해지는 비율을 나타내는 값이다.
결론적으로 매질을 통과하는 전자기파의 감쇠 비율은 상기 세 가지의 상수로 구성되는 감쇠 상수에 의해 다음의 수학식 2와 같이 결정된다.
Figure 112016071684748-pat00012
매질에 의한 영향뿐만 아니라 전자기파는 복사에 의한 영향으로 거리가 멀어짐에 따라 에너지 밀도가 낮아지고, 송신 및 수신 안테나의 특성에 의해서도 신호 감쇠가 일어난다.
이를 대표적으로 표현한 것이 후리 이 공식(FRIIS formula)으로서 이 공식에 의해 제안된 전자기파의 감쇠 모델은 다음의 수학식 3과 같다.
Figure 112016071684748-pat00013
이 모델은 송수신 안테나의 성능을 나타내는 이득 GTGR, 전자기파의 파장 λ, 송수신 안테나 사이의 거리 R, 편광손실인자(PLF : Polarization Loss Factor) 그리고 송수신 전파의 세기 PT, PR로 구성된다.
정리하면 후리 이 공식에 따른 송신 에너지의 감쇠는 안테나 사이의 거리 변화에 따른 복사 면적의 감쇠, 안테나의 성능 인자를 나타내는 이득, 그리고 안테나 간의 전파 진행 각도가 어긋남으로 인한 편광손실인자(Polarization Loss Factor)에 의해 영향을 받는다.
위 모델에서 안테나 사이의 거리와 PLF 특성은 두 안테나의 위치와 자세에 따라 정해지지만, 안테나의 이득 패턴은 사용되는 안테나에 따라 크게 달라진다.
일반적으로 안테나 이득 패턴은 전자기파 에너지 밀도가 같은 지점을 연결하여 표현하며, 이론적으로 총 에너지량이 같을 경우 안테나에 따라 에너지 밀도 분포가 달라지는 효과이다.
그러나, 후리 이 공식에서는 안테나의 이득에 대해서는 자세한 분석을 제시하지 않고 있다.
등방성 안테나를 사용하는 경우에는 안테나 이득이 3차원 모든 방향에 대해 동일하기 때문에 상수로 취급할 수 있다.
그러나, 현실적으로 등방성(Isotropic) 안테나를 만드는 것이 어렵고, 등방성 안테나가 아닐 경우 3차원 환경에서 안테나의 상대 위치에 따라 안테나 이득 패턴의 영향을 크게 받기 때문에 이에 대한 고려가 필수적이다.
예를 들어, 전방향 다이폴 안테나(Omni-directional dipole antenna)의 경우에는 도넛 형태의 이득 패턴을 보이기 때문에 도 3의 a에 위치한 노드같이 수직으로 송수신 안테나가 배열되면 동일한 거리에서 동일한 신호감쇠를 보여주는 등방성 안테나와 달리 신호를 전혀 수신하지 못하는 경우도 발생한다.
따라서, 보다 정확한 전자기파 신호 감쇠 모델을 구현하기 위해서는 복사에 의한 영향과 더불어 안테나 이득과 안테나 사이의 상대 자세에 대한 영향도 포함해서 고려해야 한다.
그러므로, 두 개의 전방향성 안테나 사이의 전자기파 전달 시의 감쇠 현상을 매질에 따른 감쇠와 거리에 따른 복사 감쇠, 안테나의 위치 및 자체 특성에 따른 감쇠로 구분하여 모든 안테나에 대해 적용 가능한 일반화 모델을 정의하면 다음 수학식과 같다.
Figure 112016071684748-pat00014
이러한 일반화 모델을 3차원 위치추정에 필요한 안테나의 추정 모델로 완성하기 위해서 본 발명은 안테나의 수평 방사면(H-plane)과 수직 방사면(E-plane)에 따른 감쇠 패턴을 이론적으로 분석하여 실제 사용 가능한 일반화 모델을 제안한다. 이상적인 등방성 안테나인 경우 수학식 4는 기존의 후리 이 공식과 맥스웰 방정식으로 정의할 수 있지만, 실제로는 존재할 수 없는 안테나이기 때문에 본 발명에서는 위치 센서로서 가장 적합한 형태인 전방향성 안테나에 대하여 모델링을 하였다.
좌표 시스템 정의
우선, 모든 방향에 대한 신호감쇠 변화를 쉽게 알아보기 위해 각 감쇠 요소에 영향을 주는 송수신 노드, 즉 고정 노드 및 이동 노드의 움직임에 대해 정의한다. 기본적인 전자기파 감쇠 요소인 거리(
Figure 112016071684748-pat00015
)를 중심으로 좌표계를 표현하는 구형 좌표계(Spherical coordinator)를 활용하여 고정 노드와 이동 노드 사이의 상대 위치에 따른 감쇠 영향을 위치 손실 인자(Position Loss Factor)로 정의한다.
즉, 도 3에서 보는 바와 같이, 노드 사이의 위치를 거리(
Figure 112016071684748-pat00016
), 광범위 회전각(
Figure 112016071684748-pat00017
) 및 전자기파의 방향과 수평면과의 각도인 앙각(
Figure 112016071684748-pat00018
)과 같은 움직임 파라미터를 통해 나타낸다(S110).
또한, 도 5에서 보는 바와 같이, 이동 노드(200-1, 200-2)의 자세 변화에 따른 감쇠 요소인 자세 손실 인자(Attitude Loss Factor)를 추가로 정의한다(S120).
이는 고정 노드(100) 및 이동 노드(200-1, 200-2) 사이의 오일러 각을 활용하여 롤(roll), 피치(pitch) 및 요잉(yawing) 운동에 따른 감쇠를 나타내는 방식이며, 롤 각도는 안테나 간 분극(Polarization)으로 인한 각도(
Figure 112016071684748-pat00019
), 피치 각도는 경사(inclination) 각도(
Figure 112016071684748-pat00020
), 자기 회전으로 인한 요잉(yawing) 각도(
Figure 112016071684748-pat00021
)로 정의한다.
이상적인 안테나인 등방성 안테나를 사용할 경우 상호 자세 불일치 여부에 관계 없이 거리와 편파각에 따라서만 감쇠되는 특성을 보이기 때문에 나머지 4가지 요소에 대해서는 고려할 필요가 없다.
또한, 전방향 안테나의 경우에는 수평면(H-plane)에서 전방향에 대해 동일한 감쇠 패턴을 가지기 때문에, 송수신 안테나를 모두 전방향 안테나를 사용하는 경우 위치 손실 인자의 회전각(
Figure 112016071684748-pat00022
)과 자세 손실 인자의 요잉(yawing) 각도(
Figure 112016071684748-pat00023
)에 대한 영향은 고려하지 않아도 된다.
위치 손실 인자
위치 손실 인자는 도 4에서와 같이 노드 간 거리에 의한 감쇠 함수
Figure 112016071684748-pat00024
과 앙각에 의한 함수 감쇠 함수
Figure 112016071684748-pat00025
로 표현할 수 있다.
거리에 따른 신호 감쇠 함수
Figure 112016071684748-pat00026
는 송신된 에너지 밀도와 수신단 면적을 이용한 후리 이 공식(FRIIS formula) 및 맥스웰 방정식(Maxwell equation)을 이용한 매질에 따른 감쇠를 통하여 다음과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112016071684748-pat00027
여기에서, 후리 이 공식 및 맥스웰 방정식을 이용하는 기술은 공지된 기술이므로, 상세한 설명은 생략한다.
송수신 안테나가 전방향 안테나인 경우 거리에 따른 감쇠는 두 안테나 간의 각도 회전이 없고 평행을 유지할 때 수평면 감쇠 패턴이 모든 방향에 대해 동일하기 때문에 수학식 1과 같이 표현 가능하지만, 3차원 공간에서는 안테나의 수평 위치뿐 아니라 수직 위치가 변화하기 때문에 이에 대한 고려가 필요하다.
3차원 환경에서는 두 안테나 노드 간의 수직 위치 차이에 의해 신호 송수신 지점이 어긋날 수 있고, 이를 고려한 감쇠 인자의 정의가 필요하다.
수직 위치에 따른 각도 변화 감쇠 인자를 전자기파의 방향과 수평면과의 각도인 앙각(elevation angle,
Figure 112016071684748-pat00028
)으로 표현하고 이에 따른 감쇠 효과를 앙각 손실 인자(elevation loss factor)으로 정의한다.
앙각 손실 인자는 고정 노드(100) 대비 이동 노드(200-1, 200-2)의 동일 거리상 z축 이동에 따른 회전 각도를 의미하는데 도 6과 같이 도시될 수 있다.
또한, x 축 상에 위치한 두 안테나를 같은 각도로 회전시키면 앙각에 의한 효과와 동일한 것을 알 수 있다.
안테나의 수직 위치 변화 패턴 모델은 x-z 평면 상에서 도 6처럼 송수신 안테나의 거리가 동일하게 떨어진 상태에서 위치 이동이 일어나는 경우에 필요한 모델로서, 이 모델을 파악하기 위해서는 전방향 안테나의 패턴 모델이 필요하다.
전방향성 송수신 안테나의 앙각(O)에 의한 안테나의 감쇠 효과는 도 7과 같이 안테나와 측정 지점간의 거리에 따른 감쇠와 앙각(O)으로 나타낼 수 있다.
도 7의 앙각에 따른 감쇠는 전방향성 안테나의 패턴 모델에 근거하며
Figure 112016071684748-pat00029
일 때의 값 대비 안테나의 패턴 모델에 의해 감쇠된 값을 가지게 된다.
우선, 송수신 안테나가 동일한 수직 위치(
Figure 112016071684748-pat00030
)에 있을 때의 최대 직진성(
Figure 112016071684748-pat00031
)은 반 전력 빔 폭(HPBW: Half Power Beam Width)을 이용하여 수학식 6과 같이 표현할 수 있다(S130).
Figure 112016071684748-pat00032
여기에서, 반 전력 빔 폭(HPBW)이란 도 8에서 송수신 안테나가 동일 수평면에 위치하여 최대 수신 신호 세기를 나타내는 지점을 1로 가정했을 때, 같은 거리 상에서 송신 안테나를 기준으로 수신 안테나를 회전시켜 최대 신호세기 대비 -3dB(0.5 배)에 해당하는 신호 세기가 나오는 두 지점 사이의 각을 의미한다.
앙각을 구성하는 각 전방향성 안테나의 수직면에 대한 이득 패턴 모델은 거리가 일정하다는 전제 하에, 수학식 7과 같이 최대 직진성(directivity)(
Figure 112016071684748-pat00033
)과 단일 안테나의 수직 위치 변화에 따른 패턴 모델(
Figure 112016071684748-pat00034
)을 이용하여 다음 수학식과 같이 산출할 수 있다(S140).
Figure 112016071684748-pat00035
수학식 6의 최대 직진성은 수학식 7의 최대 직진성과 전방향성 안테나의 패턴 모델로 구성된다.
수학식 7은 최대 직진성을 수식적인 실험 모델에 근거하여 맥도날드가 제안한 모델로서, 반 전력 빔 폭을 이용하여 안테나의 최대 직진성을 결정할 수 있는 모델이다.
안테나의 수직 위치 변화 패턴 모델은 x-z 평면 상에서 도 6처럼 송수신 안테나의 거리가 동일하게 떨어진 상태에서 위치 이동이 일어나는 경우에 필요한 모델이다.
즉, X-Z 평면의 전체 방향 중 감쇠가 적게 일어나는 -3 dB(50% 신호 감쇠) 영역을 설정하여 그 범위 내에 이동 안테나가 위치하면 동일 깊이에 있는 안테나와 유사한 모델로 추정하게 된다.
이 모델을 파악하기 위해서는 전방향성 안테나의 패턴 모델이 필요한데, 도 9의 2차원 패턴에 나타난 바와 같은 패턴 특성을 갖고, 수학식 8로 근사화할 수 있다.
Figure 112016071684748-pat00036
송수신안테나가 동일한 수직위치(
Figure 112016071684748-pat00037
)에 있을 때의 최대 지향성(directivity) 에 안테나의 패턴모델인 수학식 2를 적용하면 수학식 3와 같이 단일 안테나의 지향성 모델을 확인할 수 있다(S150).
Figure 112016071684748-pat00039
실제로 앙각 변화에 따른 지향성 모델로 나타내기 위해서는 안테나의 방사패턴에 해당하는 각도인
Figure 112016071684748-pat00040
를 x축으로부터 회전 각도인
Figure 112016071684748-pat00041
로 정의해야 하고, 이에 따른 모델은 다음의 수학식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016071684748-pat00042
이를 이용하여 전방향 안테나의 회전에 따른 감쇠 모델을 확인할 수 있고, 이 모델을 이용하면 수학식 5와 같이 일반적인 전방향 안테나의 수직면(E-plane)의 각도에 따른 감쇠 패턴을 나타낼 수 있다.
이를 이용하여 전방향 안테나의 회전에 따른 감쇠 모델을 확인할 수 있고, 이 모델을 이용하면 수학식 11과 같이 일반적인 전방향 안테나의 수직면(E-plane)의 각도에 따른 감쇠 패턴을 나타낼 수 있다.
Figure 112016071684748-pat00043
두 안테나의 회전에 따른 신호 감쇠 요소를 수학식 11과 같이 곱으로 나타낼 수 있고, 이는 후리 이 공식에 의하면 송신 안테나에서 떠난 전자기파가 수신안테나의 영역을 공진시키기 때문에 송신 안테나의 지향성뿐 아니라 수신 안테나의 지향성에 의해 영향을 받게 됨을 의미한다(S160).
도 10에서 보는 바와 같이, 공진에 의해 곱으로 표현된 수학식 11는 두 이득에 대한 모델을 풀어 쓴 것으로서, 앙각에 따른 감쇠에서는 도 6과 같이 두 안테나가 동일하게 회전하기 때문에 하나의 경사각
Figure 112016071684748-pat00044
로 표현이 가능하다.
자세 손실 인자
위치 손실 인자의 감쇠 인자가 두 노드 안테나의 상대적인 위치 차이에 따른 것이라면 자세 손실 인자의 요소는 도 5에서와 같이 이동 노드(200-1, 200-2) 안테나의 상대적인 자세 차이에 따른 것이다.
자세 손실 인자를 정의하기 위해서는 두 가지 세부 요소인 롤(roll)과 피치(pitch)에 대한 효과 분석이 필요하다.
롤(roll)에 따른 요소인
Figure 112016071684748-pat00045
는 송수신 신호 벡터 사이의 각도로서, 이동 노드(200-1, 200-2)의 롤(roll) 방향 회전에 의한 각도로 표현할 수 있다.
이동 노드(200-1, 200-2)의 롤(roll) 회전으로 인해 전자기파를 구성하는 전기장과 자기장의 정합이 어긋나게 되어 감쇠효과를 일으키게 된다.
이는 자세 손실 인자의 한 요소로 정의 가능하며 다음과 같은 수학식으로 정의된다.
Figure 112016071684748-pat00046
또한, 피치(pitch) 방향 회전 각도에 따른 감쇠 효과는 도 11과 같이 고정 노드(100) 대비 이동 노드(200-2)의 피치(pitch) 회전에 의한 효과로 볼 수 있고, 이를 경사 손실 인자(inclination loss factor)으로 정의한다.
경사 손실 인자는 앙각 손실 인자와 동일한 방법으로 구한다.
즉, 앙각 손실 인자가 두 개의 안테나가 동시에 회전하여 생기는 감쇠라면 경사 손실 인자는 다음 수학식과 같이 단일 안테나의 회전으로 인한 감쇠로 설명 가능하다.
Figure 112016071684748-pat00047
여기에, 추가적으로 도 12와 같이 앙각 손실 인자와 경사 손실 인자가 동시에 발생한다면 다음 수학식 14와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112016071684748-pat00048
일반화된 전방향 안테나 감쇠 모델
안테나의 감쇠 인자인 위치 손실 인자 및 자세 손실 인자를 이용하여 수학식 15와 같이 전방향 안테나를 이용한 전자기파 전달에서의 일반적인 3차원 방사 패턴에 대한 모델을 표현할 수 있다(S170).
Figure 112016071684748-pat00049
여기에서,
Figure 112016071684748-pat00050
은 안테나의 물리적인 특성에 따른 효율,
Figure 112016071684748-pat00051
는 서로 다른 매질의 투과에 따른 임피던스 비매칭에 따른 효율을 의미하며,
Figure 112016071684748-pat00052
는 매질과 거리에 따른 감쇠,
Figure 112016071684748-pat00053
는 송신 안테나의 전달 에너지와 수신 안테나의 실효 면적에 따른 영향을 나타내고,
Figure 112016071684748-pat00054
는 안테나의 위치변화에 따른 감쇠 요소들이다.
즉, 후리 이 모델의 경우 자유공간이란 한정된 영역에서 진행되었지만, 본 발명의 전방향 안테나의 일반화된 수중 3차원 모델은 이를 개량하여 손실 매개체(lossy medium)인 수중 환경에 따른 감쇠를 고려하였다.
또한, 전방향 안테나의 감쇠 패턴을 정의하고 송수신 안테나의 위치에 따른 감쇠를 고려하여 다음의 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016071684748-pat00055
Figure 112016071684748-pat00056
다시 말해, 4가지 감쇠 요소를 포함한 일반화된 3차원 전방향 감쇠 패턴 모델은 종래의 맥스웰 방정식을 이용하여 손실 매개체에 따라 감쇠함수인
Figure 112016071684748-pat00057
을 정의하고, 후리 이 공식의 안테나 유효 면적에 따라 근사모델
Figure 112016071684748-pat00058
과 편향요소인
Figure 112016071684748-pat00059
을 도출한 후, 안테나의 위치에 따른 감쇠 모델인
Figure 112016071684748-pat00060
을 조합하여, 최종적으로 3차원 전방향 안테나의 일반화 모델을 표현한다(S180).
따라서, 본 발명은 전자기파의 신호감쇠를 이용하여 전방향성 안테나의 수평면(H-plane) 감쇠 모델뿐 아니라, 3차원 위치 추정을 위해 필요한 수직면(E-plane) 특성인 안테나 사이의 상대 높이 차이와 자세에 따른 신호 감쇠 모델까지 고려하여, 높은 정밀도가 요구되는 구조물 시공 등 매니퓰레이터나 작업 툴을 사용하는 근거리 작업에서도 수중 환경에서 작업을 수행하는 로봇의 상대적 혹은 절대적인 위치를 파악할 수 있게 된다(S190).
이와 같이, 본 발명의 반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법은 전자기파를 이용한 3차원 수중 위치 추정 시스템에서 전방향성 안테나의 수직 평면의 전체 방향 중 감쇠가 적게 일어나는 영역을 설정하여 그 범위 내에 이동 안테나가 위치하면 동일 깊이에 있는 안테나와 유사한 모델로 추정하고, 반 전력 빔 폭의 빔 패턴 특성을 이용하여 안테나의 지향성 모델을 결정하는 상수를 구할 수 있다.
이를 통하여, 연근해 환경이나 복잡한 구조물 등이 설치된 지역에서 다중 경로 현상이 발생하는 초음파 위치 추정 방법보다 추정 정밀도를 향상시키고 수중 위치 정보 추정의 오류를 방지할 수 있다.
또한, 높은 정밀도가 요구되는 구조물 시공 등 매니퓰레이터나 작업 툴을 사용하는 근거리 작업에서도 3차원 수중 위치 추정이 가능하게 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: 안테나의 고정 노드
200-1, 200-2: 안테나의 이동 노드

Claims (5)

  1. (a) 전방향성 안테나의 고정 노드와 이동 노드 간의 움직임 파라미터가 정의 되는 단계;
    (b) 상기 고정 노드와 상기 이동 노드 사이의 상대 위치 및 자세에 따른 신호 감쇠 인자가 정의되는 단계;
    (c) 반 전력 빔 폭을 이용하여 송신 안테나 및 수신 안테나가 동일한 수직 위치에 있을 때의 직진성이 산출되는 단계;
    (d) 상기 직진성에 단일 안테나의 수직 위치 변화에 따른 패턴 모델을 승산하여 전방향성 안테나의 수직면에 대한 이득 패턴이 모델링되는 단계;
    (e) 전방향성 안테나의 수직면(E-plane) 영역에서의 개별 지향성이 모델링되는 단계;
    (f) 상기 신호 감쇠 인자를 이용하여 수평면(H-plane) 및 수직면 (E-plane)에 대해서 전방향 안테나의 3차원 전자기파 방사 패턴이 일반화 모델링되는 단계; 및
    (g) 상기 3차원 전자기파 방사 패턴을 이용하여 수중 물체의 위치가 추정되는 단계;
    를 포함하고,
    상기 (f) 단계에서,
    상기 일반화 모델링은 다음과 같은 수학식에 의해 수행되고,
    Figure 112018004153534-pat00083

    상기
    Figure 112018004153534-pat00084
    은 상기 전방향성 안테나의 물리적인 특성에 따른 효율, 상기
    Figure 112018004153534-pat00085
    는 서로 다른 매질의 투과에 따른 임피던스 비매칭에 따른 효율, 상기
    Figure 112018004153534-pat00086
    는 매질과 거리에 따른 감쇠, 상기
    Figure 112018004153534-pat00087
    는 상기 송신 안테나의 전달 에너지와 상기 수신 안테나의 실효 면적에 따른 영향, 상기
    Figure 112018004153534-pat00088
    는 상기 전방향성 안테나의 위치변화에 따른 감쇠 요소들인 것을 특징으로 하는,
    반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 직진성은
    다음과 같은 수학식에 의해 산출되고,
    Figure 112016071684748-pat00061

    상기 반 전력 빔 폭(HPBW)은 동일 거리 상에서 상기 송신 안테나를 기준으로 상기 수신 안테나를 회전시켜 상기 송신 안테나 및 상기 수신 안테나가 동일 수평면에 위치할 때의 최대 신호 세기 대비 0.5 배에 해당하는 신호 세기가 나오는 두 지점 사이의 각인 것을 특징으로 하는,
    반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    (b-1) 상기 고정 노드와 상기 이동 노드 사이의 거리(
    Figure 112016071684748-pat00062
    ), 회전각(
    Figure 112016071684748-pat00063
    ) 및 앙각 (
    Figure 112016071684748-pat00064
    )을 통해 위치 손실 인자가 정의되는 단계; 및
    (b-2) 상기 고정 노드와 상기 이동 노드 사이의 안테나간 분극에 대한 롤 각도(
    Figure 112016071684748-pat00065
    ), 경사에 대한 피치 각도(
    Figure 112016071684748-pat00066
    ) 및 요잉 운동에 따른 요잉 각도(
    Figure 112016071684748-pat00067
    )를 통해 자세 손실 인자가 정의되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 (b-1) 단계는
    송신된 에너지 밀도 및 수신단 면적을 이용하여 매질에 따른 감쇠를 통해 상기 거리에 따른 신호 감쇠 함수가 산출되는 단계; 및
    전자기파의 방향과 수평면과의 앙각을 이용하여 상기 앙각 (
    Figure 112016071684748-pat00068
    )에 따른 앙각 손실 인자 함수가 산출되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (b-2) 단계는
    상기 이동 노드의 롤 회전으로 인해 전자기파를 구성하는 전기장과 자기장의 부정합에 따른 감쇠를 통해 상기 롤 각도(
    Figure 112016071684748-pat00069
    )에 따른 신호 감쇠 함수가 산출되는 단계; 및
    상기 고정 노드 대비 상기 이동 노드의 피치 회전으로 인해 상기 피치 각도(
    Figure 112016071684748-pat00070
    )에 따른 경사 손실 인자 함수가 산출되는 단계;
    를 포함하고,
    상기 앙각 손실 인자 함수 및 상기 경사 손실 인자 함수를 이용하여 안테나의 위치에 따른 감쇠 모델이 조합되어 상기 3차원 전자기파 방사 패턴이 일반화 모델링되는 것을 특징으로 하는,
    반 전력 빔 폭을 이용한 3차원 수중 위치 추정 방법.
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