KR102054440B1 - ＴｏＡ 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치 및 방법 - Google Patents

ＴｏＡ 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 ToA(신호 도달 시간) 측정치를 이용하는 Loran-C(이하, 로란-씨라 함)/eLoran(이하, 이로란이라 함) 다중 체인 측위 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 로란-씨/이로란 수신기에서 제공된 원시 ToA 측정치를 조절하고, 조절된 ToA 측정치의 의사거리 오차를 부르나브스 모델(Brunavs model)를 이용하여 보상하며, 임의의 시간 오차 및 수신기 시계 오프셋을 간단한 수학식을 이용하여 제거한 후, ToA 측정치를 이용하여 신호 수신 지점의 위치를 획득하는, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

ＴｏＡ 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR POSITIONING LORAN-C/ELORAN MULTIPLE CHAIN USING TOA MEASUREMENT}
본 발명은 ToA(신호 도달 시간) 측정치를 이용하는 Loran-C(이하, 로란-씨라 함)/eLoran(이하, 이로란이라 함) 다중 체인 측위 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 로란-씨/이로란 수신기에서 제공된 원시 ToA 측정치를 조절하고, 조절된 ToA 측정치의 의사거리 오차를 부르나브스 모델(Brunavs model)를 이용하여 보상하며, 임의의 시간 오차 및 수신기 시계 오프셋을 간단한 수학식을 이용하여 제거한 후, ToA 측정치를 이용하여 신호 수신 지점의 위치를 획득하는, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 로란-씨는 1940년대부터 사용된 전파항법시스템이다. 육상에 고정된 여러 송신국에서 특정한 신호를 송신하면 수신기는 신호를 수신한 지점의 위치를 측정하여 제공한다. 로란-씨 신호는 100kHz 펄스파이고 지표면을 따라 전파된다. 1980년대 위성항법시스템의 등장 이후 국제적으로 그 필요성 유무에 대한 논의가 있었으나 로란-씨 신호가 위성항법신호에 비해 전파간섭에 강인함이 알려진 후에는 로란-씨 시스템을 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
대표적인 관련 연구결과로는 2006년 국제로란협회가 공표한 기존의 로란-씨를 개선한 이로란(eLoran, Enhanced Loran) 정의 문서가 있다. 이로란 신호와 로란-씨 신호의 주요한 차이점은 LDC(Loran Data Channel)를 통한 시각과 보정정보를 방송하는지의 여부에 있다.
로란-씨 시스템을 구분하는 단위는 체인인데, 이 체인은 펄스 신호 송신 주기가 같은 특정 송신국 집단을 의미한다. 하나의 로란-씨 체인은 한 개의 주국과 2∼4개의 종국으로 구성된다. 주국이 먼저 신호를 송신하면 그 신호를 수신한 여러 종국은 각기 정해진 시간 후 신호를 송신한다. 이러한 방법으로 각 종국은 해당 체인에 속한 다른 송신국과 일정한 간격을 유지하며 순서대로 신호를 송신한다. 한 체인에 속한 모든 송신국이 일련의 송신을 완료하면 다시 주국이 신호를 송신하게 되는데, 주국이 신호를 송신하고 다시 송신하기까지 걸리는 시간 간격을 GRI(Group Repetition Interval)라 한다. 하나의 체인에 속한 모든 송신국의 GRI는 동일하며, 전 세계 모든 체인은 서로 다른 고유한 GRI를 가진다. GRI의 단위는 마이크로초(㎲)인데, 이 GRI를 10으로 나눈 값을 GRI 지정자라 하며 Loran 체인을 식별하는 기호로 사용한다. 국내에서는 중국에서 운영하는 GRI7430 체인과 GRI8390 체인 그리고 대한민국과 러시아에서 운영하는 GRI9930 체인에 속한 여러 로란-씨 송신국에서 송출한 신호를 수신하는 것이 가능하다.
그러나 로란-씨 수신기는 여러 체인 중 하나만을 선택하여 해당 체인에 속한 송신국 신호만을 위치 측정에 사용한다. 이에 따라 수신기가 위치 측정에 사용하는 신호의 수는 하나의 체인에 속한 송신국의 수와 같으며 일반적으로 3∼5개이다. 만약 체인을 선택하지 않고 수신된 모든 로란-씨 신호를 이용하여 위치를 측정할 수 있다면 수신기의 측위 성능은 정확도와 가용성 측면에서 향상될 것이다.
또한 로란-씨 신호 뿐 아니라 이로란 신호도 함께 수신하여 위치 측정에 이용하는 로란-씨/이로란 수신기의 측위 성능도 정확도와 가용성 측면에서 향상될 것이다.
국내특허공개 2011-0083960호(공개 일자: 2011년 07월 21일)
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 로란-씨/이로란 수신기의 측위성능에 있어서 정확도 및 가용성을 향상시킬 수 있는, ＴｏＡ 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시형태에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치는 로란-씨(Loran-C)/이로란(eLoran) 수신기에서 제공된 원시 ToA 측정치를 조절하도록 구성된 원시 ToA 측정치 조절부; 상기 원시 ToA 측정치 조절부에서 조절된 ToA 측정치에 등가한 의사거리 측정치에 포함된 오차를 빈센티 방법(Vincenty method)과 부르나브스 모델(Brunavs model)을 이용하여 추정하도록 구성된 의사거리 오차 추정부; 상기 ToA 측정치에 존재하는 임의의 시간 오차(BI) 및 수신기 시계 오프셋(BR)을 제거하도록 구성된 수신기 시계 오프셋 제거부; 및 상기 ToA 측정치를 이용하여 신호 수신 지점의 위치를 획득하도록 구성된 신호 수신 지점 위치 획득부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 일실시형태에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치에 있어서, 상기 원시 ToA 측정치 조절부는 상기 원시 ToA 측정치에 ED(Emission Delay, 주국의 신호 송출시점과 종국의 신호 송출시점의 간격)에 의한 시간 오프셋(
Figure 112018120350600-pat00001
)을 제거한 다음 상기 임의의 시간 오차(BI)를 부여하고, 나머지 연산(Modulo Operation) 방법을 이용하여 시간 오차 부여된 ToA 측정치를 GRI(Group Repetition Interval)로 나누어서 그 나머지를 취하여 조절된 ToA 측정치(ToAA)를 획득하고, 획득된 ToA 측정치가 설정된 범위 내에 있는지의 여부를 판단하여 설정된 범위 내에 없으면 상기 임의의 시간 오차(BI) 부여과정을 반복하는 한편, 설정된 범위 내에 있으면 ToA 측정치 조절과정을 종료할 수 있다.
상기 일실시형태에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치에 있어서, 상기 ToA 측정치에 존재하는 임의의 시간 오차(BI) 및 수신기 시계 오프셋(BR)은 다음의 [수학식 2]를 이용하여 제거될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018120350600-pat00002
[여기서, 기 추정된 수신 위치와 수신기 시계 오프셋이 포함한 오차를 추정하고 이를 기 추정된 수신 위치와 수신기 시계 오프셋에 보상하여 다음회의 수신 위치와 수신기 시계 오프셋을 더욱 정밀하게 추정해나가는 과정을 반복함으로써 최종 수신 위치와 수신기 시계 오프셋이 포함한 오차를 줄여나가는 과정에 있어서,
Figure 112018120350600-pat00003
는 초기 위치 혹은 이전 회에 추정된 오차를 반영하여 새로이 추정된 이번 회 사용자 위치의 위도이고,
Figure 112018120350600-pat00004
는 이번 회 추정된 사용자 위치의 위도를 동 위치에 포함된 오차를 추정하여 보상함으로써 구한 다음 회 추정 사용자 위치의 위도이며,
Figure 112018120350600-pat00005
초기 위치 혹은 이전 회에 추정된 오차를 반영하여 새로이 추정된 이번 회 사용자 위치의 경도이며,
Figure 112018120350600-pat00006
는 이번 회 추정된 사용자 위치의 위도를 동 위치에 포함된 오차를 추정하여 보상함으로써 구한 다음 회 추정 사용자 위치의 경도이며,
Figure 112018120350600-pat00007
는 첫 번째 체인에 대한 초기 수신기 시계 오프셋 혹은 이전 회에 추정된 첫 번째 체인에 대한 수신기 시계 오프셋이며,
Figure 112018120350600-pat00008
는 이번 회의 과정을 통해 추정된 다음 회의 첫 번째 체인에 대한 수신기 시계 오프셋이며, k는 각 체인의 번호이고, m은 첫 번째 체인의 신호수이며, n은 k번째 체인의 신호수이며, T는 직교좌표계에서 구면좌표계로 변환하기 위한 행렬이며, H는 신호 관측행렬이며,
Figure 112018120350600-pat00009
는 신호 관측행렬의 전치 행렬이며,
Figure 112018120350600-pat00010
는 첫 번째 체인의 첫 번째 송신 신호에 대한 의사거리 측정치이며,
Figure 112018120350600-pat00011
는 첫 번째 체인의 첫 번째 송신 신호에 대한 의사거리 추정치임]
상기 일실시형태에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치에 있어서, 상기 신호 수신 지점 위치 획득부는 신호 수신 지점의 위치 획득시 다음의 [수학식 2]를 이용할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018120350600-pat00012
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시형태에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 방법은 원시 ToA 측정치 조절부에 의해 로란-씨(Loran-C)/이로란(eLoran) 수신기에서 제공된 원시 ToA 측정치를 조절하는 단계; ToA 의사거리 오차 추정부가 상기 조절된 상기 ToA 측정치에 등가한 의사거리 측정치에 포함된 오차를 빈센티 방법(Vincenty method)과 부르나브스 모델(Brunavs model)을 이용하여 추정하는 단계; 수신기 시계 오프셋 제거부가 상기 ToA 측정치에 존재하는 임의의 시간 오차(BI) 및 수신기 시계 오프셋(BR)을 제거하는 단계; 및 신호 수신 지점 위치 획득부가 상기 ToA 측정치를 이용하여 신호 수신 지점의 위치를 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 실시형태에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 방법에 있어서, 상기 원시 ToA 측정치를 조절하는 단계는 상기 원시 ToA 측정치에 ED(Emission Delay, 주국의 신호 송출시점과 종국의 신호 송출시점의 간격)에 의한 시간 오프셋(
Figure 112018120350600-pat00013
)을 제거한 다음 상기 임의의 시간 오차(BI)를 부여하는 단계; 나머지 연산(Modulo Operation) 방법을 이용하여 시간 오차 부여된 ToA 측정치를 GRI(Group Repetition Interval)로 나누어서 그 나머지를 취하여 조절된 ToA 측정치(ToAA)를 획득하는 단계; 및 획득된 ToA 측정치가 설정된 범위 내에 있는지의 여부를 판단하여 설정된 범위 내에 없으면 상기 임의의 시간 오차(BI) 부여과정을 반복하는 한편, 설정된 범위 내에 있으면 ToA 측정치 조절과정을 종료하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 다른 실시형태에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 방법에 있어서, 상기 ToA 측정치에 존재하는 임의의 시간 오차(BI) 및 수신기 시계 오프셋(BR)을 제거하는 단계는 다음의 [수학식 2]를 이용하여 제거되는, ToA 측정치를 이용할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018120350600-pat00014
상기 다른 실시형태에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 방법에 있어서, 상기 신호 수신 지점 위치 획득 단계는 신호 수신 지점의 위치 획득시 다음의 [수학식 2]를 이용할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018120350600-pat00015
본 발명의 실시형태에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치 및 방법에 의하면, 로란-씨(Loran-C)/이로란(eLoran) 수신기에서 제공된 원시 ToA 측정치를 조절하고, 상기 조절된 상기 ToA 측정치에 등가한 의사거리 측정치에 포함된 오차를 빈센티 방법(Vincenty method)과 부르나브스 모델(Brunavs model)을 이용하여 추정하며, 상기 ToA 측정치를 이용하여 신호 수신 지점의 위치를 획득하도록 구성됨으로써, 로란-씨/이로란 수신기의 측위성능에 있어서 정확도 및 가용성을 향상시킬 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치에 의해 구현된, 다중 체인 측위 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 3은 GRI7430 체인의 M, X, Y국과 GRI8390 체인의 M, Y국 그리고 GRI9930의 M, W국 신호에 대한 측정치를 이용하여 위치를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 GRI7430 체인의 M, X, Y국 측정치만을 이용하여 위치를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 선박의 이동경로를 보여주는데 푸른 선은 GNSS RTK 방법으로 구한 위치를 나타내고 붉은 점은 본 발명에 의해 제안된 방법으로 구한 위치를 나타낸 도면으로서, GRI7430 체인의 M, X, GRI8390 체인의 M, Y, GRI9930 체인의 M, W국 측정치만 수신된 상황에서 위치를 측정한 결과를 나타낸다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치의 블록 구성도이다..
본 발명의 실시예에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 원시 ToA 측정치 조절부(100), ToA 의사거리 오차 추정부(200), 수신기 시계 오프셋 제거부(300) 및 신호 수신 지점 위치 획득부(400)를 포함한다.
원시 ToA 측정치 조절부(100)는 로란-씨/이로란 수신기(R)에서 제공된 원시 ToA 측정치를 조절하는 역할을 한다.
원시 ToA 측정치 조절부(100)는 원시 ToA 측정치에 ED(Emission Delay, 주국의 신호 송출시점과 종국의 신호 송출시점의 간격)에 의한 시간 오프셋(
Figure 112018120350600-pat00016
)을 제거한 다음 임의의 시간 오차(BI)를 부여하고, 나머지 연산(Modulo Operation) 방법을 이용하여 시간 오차 부여된 ToA 측정치를 GRI(Group Repetition Interval)(주국이 신호 송신후 재송신 까지의 시간간격)로 나누어서 그 나머지를 취하여 조절된 ToA 측정치(ToAA)를 획득하고, 획득된 ToA 측정치가 설정된 범위(예컨대, 0 ~ 8000 us) 내에 있는지의 여부를 판단하여 설정된 범위 내에 없으면 상기 임의의 시간 오차(BI) 부여과정을 반복하는 한편, 설정된 범위 내에 있으면 ToA 측정치 조절과정을 종료한다.
ToA 의사거리 오차 추정부(200)는 원시 ToA 측정치 조절부(100)에서 조절된 ToA 측정치(ToAA)에 등가한 의사거리 측정치에 포함된 오차를 빈센티 방법(Vincenty method)과 부르나브스 모델(Brunavs model)을 이용하여 추정하는 역할을 한다.
조절된 ToA 측정치(ToAA)는 다음의 [수학식 1]에 도시된 바와 같은 측정치 오차를 가지고 있다.
[수학식 1]
Figure 112018120350600-pat00017
[여기서,
Figure 112018120350600-pat00018
는 신호 전달 시간의 참값이고, BI는 원시 ToA 측정치 조절부(100)에 의해 부여된 임의의 시간 오차이며,
Figure 112018120350600-pat00019
는 ED(주국의 신호 송출시점과 종국의 신호 송출시점의 간격)에 의한 시간 오프셋이며,
Figure 112018120350600-pat00020
는 송신 잡음이며,
Figure 112018120350600-pat00021
은 수신기 시계 오프셋이며,
Figure 112018120350600-pat00022
은 수신 잡음이며,
Figure 112018120350600-pat00023
는 제 1 위상 요소이며,
Figure 112018120350600-pat00024
는 제 2 위상 요소이며,
Figure 112018120350600-pat00025
는 추가적인 제 2 위상 요소임]
Figure 112018120350600-pat00026
는 ED(주국의 신호 송출시점과 종국의 신호 송출시점의 간격)가 명목상 정해진 상수이기 때문에 완전히 제거되며,
Figure 112018120350600-pat00027
와
Figure 112018120350600-pat00028
는 부르나브스 모델(Brunavs model)에 의해 제거된다.
수신기 시계 오프셋 제거부(300)는 조절된 ToA 측정치(ToAA)에 존재하는 임의의 시간 오차(BI) 및 수신기 시계 오프셋(BR)을 제거하는 역할을 한다.
임의의 시간 오차(BI) 및 수신기 시계 오프셋(BR)은 다음의 [수학식 2]를 이용하여 제거된다.
[수학식 2]
Figure 112018120350600-pat00029
[여기서, 기 추정된 수신 위치와 수신기 시계 오프셋이 포함한 오차를 추정하고 이를 기 추정된 수신 위치와 수신기 시계 오프셋에 보상하여 다음회의 수신 위치와 수신기 시계 오프셋을 더욱 정밀하게 추정해나가는 과정을 반복함으로써 최종 수신 위치와 수신기 시계 오프셋이 포함한 오차를 줄여나가는 과정에 있어서,
Figure 112018120350600-pat00030
는 초기 위치 혹은 이전 회에 추정된 오차를 반영하여 새로이 추정된 이번 회 사용자 위치의 위도이고,
Figure 112018120350600-pat00031
는 이번 회 추정된 사용자 위치의 위도를 동 위치에 포함된 오차를 추정하여 보상함으로써 구한 다음 회 추정 사용자 위치의 위도이며,
Figure 112018120350600-pat00032
초기 위치 혹은 이전 회에 추정된 오차를 반영하여 새로이 추정된 이번 회 사용자 위치의 경도이며,
Figure 112018120350600-pat00033
는 이번 회 추정된 사용자 위치의 위도를 동 위치에 포함된 오차를 추정하여 보상함으로써 구한 다음 회 추정 사용자 위치의 경도이며,
Figure 112018120350600-pat00034
는 첫 번째 체인에 대한 초기 수신기 시계 오프셋 혹은 이전 회에 추정된 첫 번째 체인에 대한 수신기 시계 오프셋이며,
Figure 112018120350600-pat00035
는 이번 회의 과정을 통해 추정된 다음 회의 첫 번째 체인에 대한 수신기 시계 오프셋이며, k는 각 체인의 번호이고, m은 첫 번째 체인의 신호수이며, n은 k번째 체인의 신호수이며, T는 직교좌표계에서 구면좌표계로 변환하기 위한 행렬이며, H는 신호 관측행렬이며,
Figure 112018120350600-pat00036
는 신호 관측행렬의 전치 행렬이며,
Figure 112018120350600-pat00037
는 첫 번째 체인의 첫 번째 송신 신호에 대한 의사거리 측정치이며,
Figure 112018120350600-pat00038
는 첫 번째 체인의 첫 번째 송신 신호에 대한 의사거리 추정치임]
신호 수신 지점 위치 획득부(400)는 조절된 ToA 측정치(ToAA)를 이용하여 신호 수신 지점의 위치를 획득하는 역할을 한다.
신호 수신 지점 위치 획득부(400)는 신호 수신 지점의 위치 획득시 상기 [수학식 2]를 이용한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치에 의해 구현된, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치에 의해 구현된, 다중 체인 측위 방법을 설명하기 위한 플로우챠트로서, 여기서 S는 스텝(step)을 의미한다.
먼저, 원시 ToA 측정치 조절부(100)는 로란-씨/이로란 수신기(R)에서 제공된 원시 ToA 측정치를 조절한다(S11 ~ S13).
즉, 원시 ToA 측정치에 ED(Emission Delay, 주국의 신호 송출시점과 종국의 신호 송출시점의 간격)에 의한 시간 오프셋(
Figure 112018120350600-pat00039
)을 제거한 다음 상기 임의의 시간 오차(BI)를 부여하고(S11), 나머지 연산(Modulo Operation) 방법을 이용하여 시간 오차 부여된 ToA 측정치를 GRI(Group Repetition Interval)로 나누어서 그 나머지를 취하여 조절된 ToA 측정치(ToAA)를 획득한다(S12).
이어서, 획득된 ToA 측정치(ToAA)가 설정된 범위(예컨대, 0 ~ 8000 us) 내에 있는지의 여부를 판단하여(S13), 설정된 범위 내에 없으면(NO) 상기 스텝(S11)으로 진행되는 한편, 설정된 범위 내에 있으면(YES) 원시 ToA 측정치 조절과정을 종료한다.
이어서, 스텝(S20)에서는 ToA 의사거리 오차 추정부(200)가 조절된 ToA 측정치(ToAA)에 등가한 의사거리 측정치에 포함된 오차를 빈센티 방법(Vincenty method)과 부르나브스 모델(Brunavs model)을 이용하여 추정한다.
스텝(S30)에서는 수신기 시계 오프셋 제거부(300)가 조절된 ToA 측정치(ToAA)에 존재하는 임의의 시간 오차(BI) 및 수신기 시계 오프셋(BR)을 상기 [수학식 2]을 이용하여 제거한다.
스텝(S40)에서는 신호 수신 지점 위치 획득부(400)가 복수의 송신국 위치와 의사거리 측정치를 이용하여 신호 수신 지점 위치를 획득하며, 상기 [수학식 2]를 이용한다.
한편, 본 발명의 실시예에 의한 ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 방법의 유효성을 확인하기 위해 두 가지 실측 시험을 수행하였다.
먼저 안테나가 육상에 고정된 상태로 위치를 측정하는 육상 정지측위 시험을 수행하였고 다음 해상에서 이동하며 위치를 측정하는 해상 이동측위 시험을 수행하였다. 여러 Loran-C 체인의 신호를 이용하여 위치를 측정하는 방법이 유효한지를 확인하기 위해서는 다양한 환경에서 수집된 신호를 이용한 시험이 필요하다. 그러나 이러한 방법을 수행하기 위해서는 많은 비용이 필요하기 때문에 회의 정지 측위 시험에서 가능한 많은 송신국 신호에 대한 데이터를 수집하고 수집된 측정치를 신호별로 다양하게 조합하여 다양한 신호 수신 환경을 모사한 다음 본 발명의 실시예에 의한 ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 방법을 시험하였다.
다음으로 본 발명의 다중 체인 측위 방법이 실제 항해 중인 선박의 선위결정에 사용될 수 있을지 여부를 확인하기 위해 선박에 수신 장비를 탑재하고 해상에서 이동하면서 위치를 측정하는 해상 이동측위 시험을 수행하였다.
[육상 정지측위 시험]
육상 정치측위 시험은 2018년 7월 11일 약 12시간 동안 평택 Loran-C 감시국에서 진행되었다. 시험 장비로 Ursanav사의 UN152B 수신기와 안테나를 이용하였다. 육상 정지측위 시험 수행 장소인 평택 Loran-C 감시국에 eLoran 안테나를 설치하였다. 실험에는 안테나 마운트 좌측 H-Field 안테나가 이용되었다. 측정된 위치에 대한 정확도를 확인하기 위해 안테나 기준 위치에 대한 정밀 측위를 수행하였다. Topcon의 GRS-1 장비를 이용하여 GPS/GLONASS 통합 VRS 방법으로 위치를 구하였다. 보정정보는 국토지리정보원의 NTRIP 서비스를 이용하였다.
데이터를 수집하는 동안 GRI7430 체인의 M, X, Y 송신국 신호와 GRI8390 체인의 M, X, Y 송신국 신호 그리고 GRI9930 체인의 M, W, Z 송신국 신호를 수신하였다. 수신된 9개 송신국 신호 중 기저거리가 가장 먼 GRI8390 체인의 X국 신호와 GRI9930 체인의 Z국 신호는 품질이 좋지 않았기 때문에 이를 제외한 7개 신호에 대한 측정치를 이용하여 위치를 측정하는 시험을 수행하였다. 7개 신호 중 5~7개 신호를 취하는 모든 조합과 4개 신호를 취하는 조합 중 각 체인 별로 2개 이상의 신호를 취하는 모든 조합 그리고 단일 체인 3개 신호를 취하는 조합을 추가하여 총 37개 조의 신호 조합으로 위치를 측정하였다.
다음의 [표 1]은 37개 조 각각에 속한 신호를 나타낸다. 1조는 7개 신호를 취한 조합이고 2조는 7430M 제외나머지 신호를 취한 조합이다.
Figure 112018120350600-pat00040
[표 1]
다음의 [표 2]는 각 조합의 신호에 대한 측정치를 이용하여 위치를 측정한 결과 HDOP, 위치 오차와 정밀도를 정리한 것이다.
Figure 112018120350600-pat00041
[표 2]
실험결과 하나의 체인에 하나의 신호만 이용한 경우는 해당 신호가 없는 경우와 동일한 결과를 보였다. 5조, 6조 및 24조는 공통적으로 GRI7430의 3개 신호, GRI9930의 2개 신호를 이용하였고 추가적으로 5조는 8390X, 6조는 8390Y를 이용하였으나 모두 동일한 위치 오차와 정밀도를 보인다. 이와 같은 현상은 '7, 8, 29','9, 10, 15','11, 12, 31','16, 17, 33','18, 19, 34, '20, 21, 35', '22, 23, 36' 그리고 '25, 26, 27, 28, 37'의 경우에도 동일하였다. 이러한 현상이 발생한 이유는 각 체인마다 2개 이상의 신호를 수신하여야 해당 체인에 대한 수신기 시계오프셋을 유의미하게 추정하기 때문인 것으로 사료된다.
16, 17, 33 조는 정확도와 정밀도가 다른 조의 결과에 비하여 상대적으로 크게 측정되었다. 이 경우는 두 체인으로 각기 추정한 위치선의 교각이 작기 때문인 것으로 사료된다. ASF 보상 시 성능이 향상될 것으로 사료된다. 실제 항해 중에는 선위의 참값을 모르기 때문에 이렇게 오차가 큰 위치를 제공하면 위험할 수 있다. 그러나 이러한 경우 위치의 참값을 모르더라도 의사거리 잔차가 매우 크게 나타나기 때문에 이를 이용하여 큰 오차를 포함한 위치로 선위를 결정하는 상황을 피할 수 있다. 본 시험의 결과로는 의사거리 잔차의 절대값을 평균한 값이 1 ㎞를 넘는지 아닌지를 감시하는 방법으로 정확도와 정밀도가 상대적으로 나쁜지의 여부를 구분할 수 있었다.
22, 23, 36 조는 위치의 결정이 불가능하였다. 사용된 신호는 4~5개였지만, 유의미한 신호는 7430M, 7430X 그리고 8390M, 8390Y 신호로 4개였다.
그러나 7430M와 8390Y 신호는 중국의 Rongcheng 국에서 송신한 신호로 이들 신호의 송신 지점은 동일하다. 또한 7430X와 8390M는 중국의 Xuancheng 국에서 송신한 신호이다. 이들 조는 4개의 신호를 수신하였지만 실제 송신국이 2개였기 때문에 위치의 측정이 불가능하였음을 확인하였다.
그 외 모든 조의 결과는 일반적인 Loran-C 수준의 측위정확도와 정밀도를 보였다. 신호를 6~7개 사용한 경우의 정밀도는 약 15~19m 그리고 신호를 4~5개 사용한 경우의 정밀도는 약 16~21m로 나타났다.
도 3은 GRI7430 체인의 M, X, Y국과 GRI8390 체인의 M,Y국 그리고 GRI9930의 M, W국 신호에 대한 측정치를 이용하여 위치를 측정한 결과를 보여준다. 위치 오차는 약 540.55m 그리고 정밀도는 2DRMS 14.76m이다.
도 4는 GRI7430 체인의 M, X, Y국만 측정치만을 이용하여 위치를 측정한 결과이다. 위치 오차는 약 761.34m, 정밀도는 21.18m이다
[해상 이동측위 실험]
본 발명의 실시예에 의한 ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 방법으로 측위하고 그 정확도를 확인하기 위해 이동식 안테나 파크를 구성하였다. 안테나 파크에 설치된 여러안테나 마운트들은 서로 고정이 되어있기 때문에, 어느 하나의 점의 위치를 알고 헤딩을 알면 다른 한 점의 위치를 정확히 구할 수 있다. 이 플랫폼에 설치된 여러 안테나 마운트 중 하나에 eLoran 안테나를 설치하고 또 다른 하나에는 GNSS 안테나를 설치하였다. eLoran 안테나는 Loran-C 신호를 수신하여 ToA 측정치를 수집하는데 사용되었다. GNSS 안테나는 GPS와 GLONASS 원시데이터를 수집하는데 사용되었다. 수집된 GNSS 원시데이터는 근처 상시 기준국 3곳에서 네트워크로 제공하는 보정정보와 함께 RTK 방식으로 위치를 계산하는데 사용되었다. 이렇게 측정된 GNSS RTK 위치는 제안된 방법으로 측정된 위치의 정확도를 확인하는데 사용되었다.
Loran-C 신호는 좌측 eLoran H-Field 안테나를 이용하여 수신하였고 우측 GNSS 안테나를 이용하여 GPS와 GLONASS 위성 신호를 수집하였다. 기준 위치 획득을 위한 안테나 파크를 차량에 설치하였고 해당 차량을 선박에 싣고 실험을 수행하였다. 선박 해상측위 실험은 2018년 7월 11일 약 2시간 30분 수행되었다. 실험은 선박의 출항과 함께 시작되어 출항지 도비도항으로부터 동진하여 국화도 우측 해상에 도달하여 선회 1회전하기까지 수행되었다
도 5는 선박의 이동경로를 보여주는데 푸른 선은 GNSS RTK 방법으로 구한 위치를 나타내고 붉은 점은 본 발명에 의해 제안된 방법으로 구한 위치를 나타낸 도면으로서, GRI7430 체인의 M, X, GRI8390 체인의 M, Y, GRI9930 체인의 M, W국 측정치만 수신된 상황에서 위치를 측정한 결과를 나타낸다
본 발명의 실시예에 의한 ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 방법으로 모든 실험구간에서 빠짐없이 위치를 측정하였음을 확인하였다. 선박이 항해하는 동안 수신이 가능했던 신호는 모두 6개였다. 그러나 수신된 신호는 GRI7430 체인의 송신국 M, X 그리고 GRI8390 체인의 송신국 M, Y 그리고 GRI9930 체인의 송신국 M, W로 3개의 체인 신호가 수신되었으나 각 체인 별로 2개씩 수신되었기 때문에 기존 Loran-C 단일 체인 측위 방법으로는 위치를 구할 수 없었다. 본 발명의 다중 체인 즉위 방법은 이러한 상황에서도 측위를 할 수 있었으므로 본 실험 결과는 가용성 향상의 예시라 할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치 및 방법에 의하면, 로란-씨(Loran-C)/이로란(eLoran) 수신기에서 제공된 원시 ToA 측정치를 조절하고, 상기 조절된 상기 ToA 측정치에 등가한 의사거리 측정치에 포함된 오차를 빈센티 방법(Vincenty method)과 부르나브스 모델(Brunavs model)을 이용하여 추정하며, 상기 ToA 측정치에 존재하는 임의의 시간 오차(BI) 및 수신기 시계 오프셋(BR)을 제거하며, 상기 ToA 측정치를 이용하여 신호 수신 지점의 위치를 획득하도록 구성됨으로써, 로란-씨/이로란 수신기의 측위성능에 있어서 정확도 및 가용성을 향상시킬 수 있다.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
R: 로란-씨/이로란 수신기
100: 원시 ToA 측정치 조절부
200: ToA 의사거리 오차 추정부
300: 수신기 시계 오프셋 제거부
400: 신호 수신 지점 위치 획득부

Claims (8)

  1. 로란-씨(Loran-C)/이로란(eLoran) 수신기에서 제공된 원시 ToA 측정치를 조절하도록 구성된 원시 ToA 측정치 조절부;
    상기 원시 ToA 측정치 조절부에서 조절된 ToA 측정치에 등가한 의사거리 측정치에 포함된 오차를 빈센티 방법(Vincenty method)과 부르나브스 모델(Brunavs model)을 이용하여 추정하도록 구성된 의사거리 오차 추정부;
    상기 ToA 측정치에 존재하는 임의의 시간 오차(BI) 및 수신기 시계 오프셋(BR)을 제거하도록 구성된 수신기 시계 오프셋 제거부; 및
    상기 ToA 측정치를 이용하여 신호 수신 지점의 위치를 획득하도록 구성된 신호 수신 지점 위치 획득부;를 포함하고,
    상기 원시 ToA 측정치 조절부는
    상기 원시 ToA 측정치에 ED(Emission Delay, 주국의 신호 송출시점과 종국의 신호 송출시점의 간격)에 의한 시간 오프셋(
    Figure 112019089428713-pat00042
    )을 제거한 다음 상기 임의의 시간 오차(BI)를 부여하고,
    나머지 연산(Modulo Operation) 방법을 이용하여 시간 오차 부여된 ToA 측정치를 GRI(Group Repetition Interval)로 나누어서 그 나머지를 취하여 조절된 ToA 측정치(ToAA)를 획득하고,
    획득된 ToA 측정치가 설정된 범위 내에 있는지의 여부를 판단하여 설정된 범위 내에 없으면 상기 임의의 시간 오차(BI) 부여과정을 반복하는 한편, 설정된 범위 내에 있으면 ToA 측정치 조절과정을 종료하는, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 ToA 측정치에 존재하는 임의의 시간 오차(BI) 및 수신기 시계 오프셋(BR)은 다음의 [수학식 2]를 이용하여 제거되는, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치.

    [수학식 2]
    Figure 112018120350600-pat00043

    [여기서, 기 추정된 수신 위치와 수신기 시계 오프셋이 포함한 오차를 추정하고 이를 기 추정된 수신 위치와 수신기 시계 오프셋에 보상하여 다음회의 수신 위치와 수신기 시계 오프셋을 더욱 정밀하게 추정해나가는 과정을 반복함으로써 최종 수신 위치와 수신기 시계 오프셋이 포함한 오차를 줄여나가는 과정에 있어서,
    Figure 112018120350600-pat00044
    는 초기 위치 혹은 이전 회에 추정된 오차를 반영하여 새로이 추정된 이번 회 사용자 위치의 위도이고,
    Figure 112018120350600-pat00045
    는 이번 회 추정된 사용자 위치의 위도를 동 위치에 포함된 오차를 추정하여 보상함으로써 구한 다음 회 추정 사용자 위치의 위도이며,
    Figure 112018120350600-pat00046
    초기 위치 혹은 이전 회에 추정된 오차를 반영하여 새로이 추정된 이번 회 사용자 위치의 경도이며,
    Figure 112018120350600-pat00047
    는 이번 회 추정된 사용자 위치의 위도를 동 위치에 포함된 오차를 추정하여 보상함으로써 구한 다음 회 추정 사용자 위치의 경도이며,
    Figure 112018120350600-pat00048
    는 첫 번째 체인에 대한 초기 수신기 시계 오프셋 혹은 이전 회에 추정된 첫 번째 체인에 대한 수신기 시계 오프셋이며,
    Figure 112018120350600-pat00049
    는 이번 회의 과정을 통해 추정된 다음 회의 첫 번째 체인에 대한 수신기 시계 오프셋이며, k는 각 체인의 번호이고, m은 첫 번째 체인의 신호수이며, n은 k번째 체인의 신호수이며, T는 직교좌표계에서 구면좌표계로 변환하기 위한 행렬이며, H는 신호 관측행렬이며,
    Figure 112018120350600-pat00050
    는 신호 관측행렬의 전치 행렬이며,
    Figure 112018120350600-pat00051
    는 첫 번째 체인의 첫 번째 송신 신호에 대한 의사거리 측정치이며,
    Figure 112018120350600-pat00052
    는 첫 번째 체인의 첫 번째 송신 신호에 대한 의사거리 추정치임]
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 수신 지점 위치 획득부는 신호 수신 지점의 위치 획득시 다음의 [수학식 2]를 이용하는, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치.

    [수학식 2]
    Figure 112018120350600-pat00053
  5. 제 1 항에 기재된 ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치를 이용한 다중 체인 측위 방법으로서,
    원시 ToA 측정치 조절부에 의해 로란-씨(Loran-C)/이로란(eLoran) 수신기에서 제공된 원시 ToA 측정치를 조절하는 단계;
    ToA 의사거리 오차 추정부가 상기 조절된 상기 ToA 측정치에 등가한 의사거리 측정치에 포함된 오차를 빈센티 방법(Vincenty method)과 부르나브스 모델(Brunavs model)을 이용하여 추정하는 단계;
    수신기 시계 오프셋 제거부가 상기 ToA 측정치에 존재하는 임의의 시간 오차(BI) 및 수신기 시계 오프셋(BR)을 제거하는 단계; 및
    신호 수신 지점 위치 획득부가 상기 ToA 측정치를 이용하여 신호 수신 지점의 위치를 획득하는 단계;를 포함하는, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 원시 ToA 측정치를 조절하는 단계는
    상기 원시 ToA 측정치에 ED(Emission Delay, 주국의 신호 송출시점과 종국의 신호 송출시점의 간격)에 의한 시간 오프셋(
    Figure 112018120350600-pat00054
    )을 제거한 다음 상기 임의의 시간 오차(BI)를 부여하는 단계;
    나머지 연산(Modulo Operation) 방법을 이용하여 시간 오차 부여된 ToA 측정치를 GRI(Group Repetition Interval)로 나누어서 그 나머지를 취하여 조절된 ToA 측정치(ToAA)를 획득하는 단계; 및
    획득된 ToA 측정치가 설정된 범위 내에 있는지의 여부를 판단하여 설정된 범위 내에 없으면 상기 임의의 시간 오차(BI) 부여과정을 반복하는 한편, 설정된 범위 내에 있으면 ToA 측정치 조절과정을 종료하는 단계;를 포함하는, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 ToA 측정치에 존재하는 임의의 시간 오차(BI) 및 수신기 시계 오프셋(BR)을 제거하는 단계는 다음의 [수학식 2]를 이용하여 제거되는, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 방법.

    [수학식 2]
    Figure 112018120350600-pat00055
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 신호 수신 지점 위치 획득 단계는 신호 수신 지점의 위치 획득시 다음의 [수학식 2]를 이용하는, ToA 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 방법.

    [수학식 2]
    Figure 112018120350600-pat00056
KR1020180152781A 2018-11-30 2018-11-30 ＴｏＡ 측정치를 이용하는 로란-씨/이로란 다중 체인 측위 장치 및 방법 KR102054440B1 (ko)

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