KR101946492B1 - 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정방법 및 시스템 - Google Patents

위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 위성으로부터 수신된 측위를 이용하여 선박 등의 상하운동을 정밀하고 강건하게 측정할 수 있는 방법 및 이를 이용한 상하운동 측정 시스템본에 관한 것으로, 본 발명에 따른 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정방법은 GNSS 반송파 위상 측정치(Φ)와 코드 측정치(Ψ)를 이용하여 각각 고도 추정치를 구하고, 이를 가중평균하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정방법 및 시스템 {METHOD FOR MEASUREMENT OF VERTICAL MOVEMENT OF SHIP AND THE SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 상하운동 측정방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 위성으로부터 수신된 측위를 이용하여 선박 등의 상하운동을 정밀하고 강건하게 측정할 수 있는 방법 및 이를 이용한 상하운동 측정 시스템에 관한 것이다.
선박의 운행이나 해상시추작업 등 고도 변화에 민감한 환경에서 항체의 상하운동을 정밀하게 측정 또는 예측하는 것은 매우 중요한 사항이다. 고도를 예측하는 방법에는 여러 가지가 있는데 최근에는 정확성과 신속성을 위해 위성으로부터 데이터를 받아 처리하는 방법이 일반적으로 사용된다.
특허문헌 1에 위성을 이용한 고도 예측 시스템이 개시되어 있고, 도 1은 그 구성도이다. 종래의 위성을 이용한 고도 예측 시스템은 4개 이상의 위성(1) 및 위성 수신기(3)로 구성되어, 위성(1)으로부터 동일한 주파수로 전송되는 확산 스펙트럼 신호로부터 고도 방정식을 도출함으로써 고도를 예측한다.
그러나 이러한 방법으로 예측된 고도는 오차가 수십 m에 달하여, 정밀한 고도 측정에는 부적합하다. 특히 종래의 위성을 이용한 고도 예측 방법은 보통 수십 ㎝, 커야 수 m에 불과한 선박 등의 상하운동에 적용하기에는 해상도가 낮은 문제점이 있다. 또한 강인성이 낮아 환경 변화 요인이 크게 작용하는 해상장비에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
KR 10-2006-0056357 A (2006. 5. 24.)
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 해상도와 강인성이 높은 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정방법은 GNSS 반송파 위상 측정치(Φ)와 코드 측정치(Ψ)를 이용한 선박의 상하운동 측정방법으로서,
연산장치가 다음 [수학식 7]에 따라 상기 GNSS 반송파 위상 측정치(Φ)에 의한 상하운동을 예측하는 단계,
[수학식 7]
Figure 112018095800465-pat00040

(단, 가중치 Wφ=cov(δφ)-1=(2σφ 2·I)-1이고, σφ 2는 반송파 위상 측정 잡음 vG i(t)의 공분산이며,
Figure 112018095800465-pat00041
,
Figure 112018095800465-pat00042
,
Figure 112018095800465-pat00043
, rG는 거리, vφ는 반송파 위성 측정 잡음 벡터이다)
연산장치가 다음 [수학식 14]에 따라 상기 코드 측정치(Ψ)에 의한 상하운동을 예측하는 단계,
[수학식 14]
Figure 112018095800465-pat00044

(단, 가중치 WΨ=cov(δΨ)-1=(2σΨ 2·I)-1이고, σΨ 2는 반송파 위상 측정 잡음 ζG i(t)의 공분산이며,
Figure 112018095800465-pat00045
,
Figure 112018095800465-pat00046
,
Figure 112018095800465-pat00047
, rG는 거리, ζΨ는 코드 측정 잡음 벡터이다)
연산장치가 다음 [수학식 15]에 따라 GNSS 반송파 위상 측정치(Φ)와 코드 측정치(Ψ)를 이용한 상하운동을 도출하는 단계로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
[수학식 15]
Figure 112018095800465-pat00048
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본 발명에 따른 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정방법은 반송파 위상 측정치 및 코드 측정치를 모두 이용함에 따라 높은 정밀도로 고도를 측정할 수 있고 강인성을 구비하여 가용성이 높다.
또 본 발명에 따른 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정 시스템은 기압계나 관성측정장치를 포함하는 경우 위성측위데이터와 조합하여 더 정확하고 신뢰성 있는 해를 제공할 수 있다. 또한 위성이 관측되지 않더라도 연속적인 해를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 위성을 이용한 고도 예측 시스템
도 2는 본 발명에 따른 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정방법의 흐름도
도 3은 본 발명에 따른 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정 시스템의 구성도
도 4는 본 발명의 관성측정장치에 의해 위치, 자세 및 속도를 예측하는 방법
이하에서는 본 발명에 따른 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정방법 및 시스템에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정방법을 도시한 것으로서, GNSS(Global Navigation Satellite System, 위성측위시스템) 수신기를 이용한 상하운동 측정방법은 위성으로부터 GPS 측정치를 수신받아 항법에 필요한 메시지를 파싱한 후 부적절한 위성 데이터를 제거한다. 그리고 유효한 위성 데이터가 4개 이상인 경우에 절대위치를 결정하고 TD 알고리즘(시각간 알고리즘)을 적용하여 상하운동을 측정한다. 이하 각 단계별로 설명한다.
① 데이터를 읽는 단계(S10): 위성으로부터 데이터를 수신받을 수 있는 상태를 유지하는 단계이다.
② 데이터 유무 판단 단계(S20): 위성으로부터 수신된 데이터가 있는지 판단하여 없으면 프로그램을 종료하고, 있으면 이후의 단계를 진행한다.
③ 항법메시지 파싱 단계(S30): 위성으로부터 수신된 데이터를 파싱하고, 그 중 본 발명에 따른 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정방법에 필요한 데이터만 추출하는 단계이다.
④ 마스킹 단계(S40): 위성의 고도, 신호의 세기 등 소정 기준에 따라 고도 예측에 부적절한 데이터를 송신하는 위성을 배제하는 단계이다.
⑤ 유효 위성 개수 판단 단계(S50): 본 발명에 따른 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정방법을 적용하기 위해서는 최소 4개의 유효한 위성 데이터가 필요하다. 따라서 마스킹 단계(S40)를 통과한 위성이 4개 이상이면 이후의 단계를 진행하고, 4개 미만이면 데이터를 읽는 단계(S10)로 분기한다.
⑥ 절대위치 결정 단계(S60): 유효한 4개 이상의 위성 데이터로부터 코드 측정치를 사용하여 절대위치(고도)를 도출한다.
⑦ TD 알고리즘 적용 단계(S70): 시각간 차분 알고리즘을 적용하여 절대위치 결정 단계(S60)를 기준으로 상하운동을 예측한다.
GPS를 이용한 TD 알고리즘은 다음 [수학식 1]과 같은 GNSS 반송파 위상 측정치(Φ)를 차분하고 최소자승법을 적용함으로써 구현된다.
[수학식 1]
Figure 112017016208469-pat00010
위 [수학식 1]에서 위첨자 i는 위성, 아래 첨자 G는 수신기(예를 들면 선박)을 나타내다. 그리고 Φ는 GNSS 반송파위성 측정치, r은 거리, B는 시계오차, λ는 반송파 파장, N은 모호정수, I는 전리층 지연, T는 대류권 지연, m은 다중경로, v는 측정 잡음이다.
그리고 대개의 경우 두 시각 t1과 t2의 차이가 작다면 위성의 Bi와 I, T, N은 거의 변화가 없기 때문에 상수로 보아도 무방하고, m은 무시할 수 있는 수준이다.
따라서 두 시각 t1과 t2 간의 Φ(t12)는 다음 [수학식 2]와 같이 간략화할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017016208469-pat00011
여기서, 거리 r의 차분에 대해서는 r(t1)을 기준으로 다음 [수학식 3]과 같이 선형화할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112017016208469-pat00012
h는 r을 x, y, z에 대해 편미분한 값으로 시선벡터라 하고, 아래 [수학식 4]와 같다.
[수학식 4]
Figure 112017016208469-pat00013
위와 같은 과정을 1부터 n까지 위성에 대해 적용하면 아래 [수학식 5]와 같고, 아래 [수학식 6]의 행렬식으로 간략화할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112017016208469-pat00014
[수학식 6]
Figure 112017016208469-pat00015
그리고 위 [수학식 6]을 가중최소자승법으로 처리하여 아래 [수학식 7]과 같이 δuφ, 즉 수신기 변위 δx와 시계오차 변화 cB(t12)의 추정치를 구함으로써 상하운동을 예측할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112017016208469-pat00016
여기서, 가중치 Wφ=cov(δφ)-1=(2σφ 2·I)-1이고, σφ 2는 반송파 위상 측정 잡음 vG i(t)의 공분산이다.
이상으로 GNSS 반송파 위상 측정치를 이용하여 고도를 예측하는 방법을 살펴보았는데, GNSS 반송파 위상 측정치를 이용하는 경우 반송파 위상의 공분산이 수 ㎜로 예측의 정밀도가 높지만 수신기 내부에서 반송파 위상 추적 루프가 환경 변화에 민감하고, 반송파 신호를 놓쳤다가 다시 추적하는 경우 안정된 신호를 얻는데 많은 시간이 소요되어 해상과 같은 악조건에서 실효성이 낮은 경우가 많다. 따라서 본 발명에서는 강인성이 높은 코드 측정치를 이용한 고도 예측 결과를 GNSS 반송파 위상 측정치를 이용한 고도 예측 결과와 조합하여 정밀도도 높고 강인성도 높은 고도 예측 방법을 제시한다.
코드 측정치를 이용한 TD 알고리즘은 다음 [수학식 8]과 같은 코드 측정치(Ψ)를 차분하고 최소자승법을 적용함으로써 구현된다.
[수학식 8]
Figure 112017016208469-pat00017
위 [수학식 8]에서 위첨자 i는 위성, 아래 첨자 G는 수신기(예를 들면 선박)을 나타내고, i 위성에서 G 수신기까지라는 의미이다. 그리고 Φ는 GNSS 반송파위성 측정치, r은 거리, B는 시계오차, I는 전리층 지연, T는 대류권 지연, ζ는 코드 측정 잡음이다.
위 [수학식 8]에서 거리 r과 시계오차 B를 제외한 나머지 항들을 에러 e로 묶으면 아래 [수학식 9]와 같은 형태가 된다.
[수학식 9]
Figure 112017016208469-pat00018
그리고 코드 측정치의 변화는 아래 [수학식 10]과 같다.
[수학식 10]
Figure 112017016208469-pat00019
H는 시선벡터로서, 기준점 (x0, y0, z0) 및 위성의 위치(X, Y, Z)에 대해 아래 [수학식 11]과 같다.
[수학식 11]
Figure 112017016208469-pat00020
위와 같은 과정을 1부터 n까지 위성에 대해 적용하면 아래 [수학식 12]와 같고, 아래 [수학식 13]의 행렬식으로 간략화할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112017016208469-pat00021
[수학식 13]
Figure 112017016208469-pat00022
그리고 위 [수학식 13]을 가중최소자승법으로 처리하여 아래 [수학식 14]와 같이 δuΨ, 즉 수신기 변위 δx와 시계오차 변화 cB의 추정치를 구함으로써 상하운동을 예측할 수 있다.
[수학식 14]
Figure 112017016208469-pat00023
여기서, 가중치 WΨ=cov(δΨ)-1=(2σΨ 2·I)-1이고, σΨ 2는 반송파 위상 측정 잡음 ζG i(t)의 공분산이다.
이상으로 GNSS 반송파 위상 측정치(Φ)와 코드 측정치(Ψ)를 이용하여 각각 고도 변위를 추정하는 방법을 살펴보았는데, 본 발명에서는 2가지 측정치를 조합하여 사용함으로써, 보다 유용한 해를 구할 수 있다. 즉, 아래 [수학식 15]와 같이 각각의 측정잡음으로 GNSS 반송파 위상 측정치(Φ)와 코드 측정치(Ψ)를 가중 평균하여 보다 정확하고 강인한 해(σΨ 2이 크면 δuφ의 영향을 높이고, σφ 2이 크면 δuΨ의 영향을 높인다)를 구할 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112017016208469-pat00024
그리고 위와 같은 방법으로 예측된 δu를 메모리에 저장된 위치값에 더하여 추정된 위치값 PGNSSS를 구할 수 있고, 추정된 위치값 PGNSS을 미분하여 시간에 대한 변화율인 속도값 VGNSS를 구할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정 시스템의 구성도이다. 본 발명에 따른 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정 시스템은 GNSS수신기(10)를 이용하여 위 [수학식 1] 내지 [수학식 15]에 따라 절대위치(12) 및 시각간 차분(14)을 구한 후 칼만 필터(20)를 통과시킴으로써 고도(h)를 구할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정 시스템은 기압계(30) 및 관성측정장치(40)를 더 구비하여 각각의 출력을 칼만 필터(20) 처리하여 보다 효율적인 예측을 수행할 수 있다.
기압계(30)에 의한 고도 예측은 다음 [수학식 16]에 의해 수행될 수 있다.
[수학식 16]
Figure 112017016208469-pat00025
여기서 hB는 고도, SF0는 기압계의 환산계수, aB0는 기준고도, P는 기압 측정치, vB는 측정잡음, P0는 해면기압, Tm은 평균온도이다.
도 4는 본 발명의 관성측정장치에 의해 위치, 자세 및 속도를 예측하는 방법을 도시한 것이다. 관성측정장치(40)는 자이로스코프(42)와 가속도계(44)로 구성되어, 각속도 및 가속도를 이용하여 관성항법시스템(46)을 통해 위치(P), 속도(V), 각도(Φ)를 예측할 수 있다.
GNSS 수신기(10), 기압계(30), 관성측정장치(40)의 복합 작용에 의한 장점은 특정 방법의 오차 증가나 성능 저하, 잡음에 대한 내구성 등의 문제를 효과적으로 보완할 수 있다는 점이다. 실제로, GNSS은 출력주기가 길고 주변 환경(지형, 지물)에 따라 성능 저하가 일어나는데, 비해 기압계의 경우 환경 변화에 큰 민감성이 없고 빠른 주기로 출력을 제공하므로 GNSS을 보완할 수 있다. 그리고 관성측정장치의 오차 누적에 따른 장시간 사용 불능의 문제는 GNSS의 정확한 위치 예측에 의해 보완될 수 있다.
10 GNSS 수신기 20 칼만 필터
30 기압계 40 관성측정장치
42 자이로스코프 44 가속도계
46 관성항법시스템

Claims (4)

  1. GNSS 반송파 위상 측정치(Φ)와 코드 측정치(Ψ)를 이용한 선박의 상하운동 측정방법으로서,
    연산장치가 다음 [수학식 7]에 따라 상기 GNSS 반송파 위상 측정치(Φ)에 의한 상하운동을 예측하는 단계,
    [수학식 7]
    Figure 112018095800465-pat00049

    (단, 가중치 Wφ=cov(δφ)-1=(2σφ 2·I)-1이고, σφ 2는 반송파 위상 측정 잡음 vG i(t)의 공분산이며,
    Figure 112018095800465-pat00050
    ,
    Figure 112018095800465-pat00051
    ,
    Figure 112018095800465-pat00052
    , rG는 거리, vφ는 반송파 위성 측정 잡음 벡터이다)
    연산장치가 다음 [수학식 14]에 따라 상기 코드 측정치(Ψ)에 의한 상하운동을 예측하는 단계,
    [수학식 14]
    Figure 112018095800465-pat00053

    (단, 가중치 WΨ=cov(δΨ)-1=(2σΨ 2·I)-1이고, σΨ 2는 반송파 위상 측정 잡음 ζG i(t)의 공분산이며,
    Figure 112018095800465-pat00054
    ,
    Figure 112018095800465-pat00055
    ,
    Figure 112018095800465-pat00056
    , rG는 거리, ζΨ는 코드 측정 잡음 벡터이다)
    연산장치가 다음 [수학식 15]에 따라 GNSS 반송파 위상 측정치(Φ)와 코드 측정치(Ψ)를 이용한 상하운동을 도출하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정방법.
    [수학식 15]
    Figure 112018095800465-pat00057

  2. GNSS 반송파 위상 측정치(Φ)와 코드 측정치(Ψ)를 수신하는 위성측위시스템수신기(10) 및
    상기 청구항 1의 방법에 따라 도출된 δu를 현재의 위치값에 더하여 추정된 위치값 PGNSS 및 상기 위치값 PGNSS의 시간에 대한 변화율인 속도값 VGNSS를 입력받는 칼만 필터(20)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    기압계(30)를 더 포함하여 구성되어 다음 [수학식 16]에 따른 고도 추정치(hB)가 상기 칼만 필터(20)에 입력되는 것을 특징으로 하는 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정 시스템.
    [수학식 16]
    Figure 112018095800465-pat00058

    (단, hB는 고도, SF0는 기압계의 환산계수, aB0는 기준고도, P는 기압 측정치, vB는 측정잡음, P0는 해면기압, Tm은 평균온도)
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    자이로스코프(42), 가속도계(44), 관성항법시스템(46)으로 구성되는 관성측정장치(40)를 더 포함하여 구성되고, 상기 관성측정장치(40)에서 추정된 위치(P), 속도(V), 각도(Φ)가 상기 칼만 필터(20)에 입력되는 것을 특징으로 하는 위성 신호를 이용한 선박의 상하운동 측정 시스템.
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