KR102082263B1 - Underwater Acoustic Positioning System and Method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예는, 적어도 3개 이상의 위치기준유닛(PRU)을 포함하는 데이터 전송부, 수중물체를 포함하는 데이터 수신부, 외부 중앙처리장치를 포함하는 데이터 처리부에 의해 수행되는 수중위치 추정 방법으로서, 상기 수중물체를 통해 위치기준유닛(PRU)으로부터 음향신호를 수신하는 단계, 상기 음향신호를 진폭과 시간지연 프로파일로 나타내고, 도착시간을 판별하는 단계, 상기 도착시간을 기준으로 상기 위치기준유닛과 수중물체의 직선거리를 추정하는 단계, 상기 직선거리를 통해 제1 추정위치를 삼각측량하여 추정하는 단계와, 음선 경로의 길이를 계산하고, 상기 음선 경로의 길이에 따라 제2 추정위치를 추정하는 단계, 상기 제1 추정위치와 제2 추정위치간의 위치오차를 도출하는 단계, 상기 제1 추정위치에서 상기 위치오차를 뺀 값을 통해 보정위치를 도출하는 단계를 포함한다. 따라서, 수중음속분포와 해저지형정보를 이용하여 추적된 음선을 고려하여, 보다 정확하고 실질적인 수중물체의 위치를 찾을 수 있다. An embodiment of the present invention is an underwater position estimation method performed by a data transmission unit including at least three position reference units (PRUs), a data receiving unit including an underwater object, and a data processing unit including an external central processing unit. Receiving an acoustic signal from a position reference unit (PRU) through the underwater object, representing the acoustic signal as an amplitude and a time delay profile, determining an arrival time, and determining the arrival time based on the arrival time; Estimating a linear distance of an underwater object, triangulating and estimating a first estimated position using the linear distance, calculating a length of a sound path and estimating a second estimated position according to the length of the sound path Deriving a position error between the first estimated position and the second estimated position, by subtracting the position error from the first estimated position Deriving a correction position. Therefore, it is possible to find a more accurate and substantial position of the underwater object by considering the sound line tracked using the subsonic distribution and the seabed topography information.
Description
본 발명은 수중위치 추정기법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수심에 따른 수중음속분포와 해저지형정보를 이용하여 추적된 음선을 고려한 수중위치 추정 시스템 및 추정 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an underwater position estimating technique, and more particularly, to an underwater position estimating system and a method for estimating a sound line tracked using underwater sound velocity distribution and seabed topography information.
해양/수중 센서 네트워크에서 위치정보 기술은 해양 모니터링을 위해 기본적이고 필수적인 정보이다. 또한 수집된 해양 데이터의 효율적인 분석을 위해 위치정보 관리 기술은 매우 중요하다. 이러한 해양 및 수중 센서 네트워크 기반 위치정보 기술은 수중에서 수중센서 및 스마트 부이 등 다수의 개체들과 원활한 상호 통신을 전제로 한다. 또한 대부분의 위치정보에 대한 연구가 음향신호 전달 특성이 직선이라는 전제 하에 연구가 이루어지고 있다. 하지만 실제 음향신호는 수심이 변함에 따라서, 온도, 염도, 압력 등의 영향을 받아 속도가 변화한다. 수중 깊이에 따라 음향 속도가 변화함으로 인해, 음향신호는 전달특성에 의해 직선이 아닌 휘는 특성을 가지게 된다. 또한 음향신호들이 전파될 때, 반사와 회절 등과 특성의 영향을 받는다. In marine and underwater sensor networks, geolocation technology is fundamental and essential information for marine monitoring. In addition, location information management technology is very important for efficient analysis of collected marine data. The location information technology based on the marine and underwater sensor network is based on the premise of smooth communication with a number of entities such as underwater sensors and smart buoys. In addition, most of the location information has been studied under the assumption that the acoustic signal transmission characteristic is a straight line. However, the actual acoustic signal changes in speed as the depth of the water is affected by temperature, salinity, and pressure. As the speed of sound changes according to the depth of the water, the sound signal has a bending characteristic rather than a straight line due to the transmission characteristic. In addition, when the acoustic signals propagate, they are affected by reflection, diffraction, and the like.
상기와 같이 실제 수중에서 전달되는 음향 신호는 수중음속 분포(Sound speed profile, SSP)에 영향을 받아 휘는 굴절 현상과 해저지형에 입사하여 반사되는 형태로 이동하게 된다. 그러나, 종래의 거리를 기반으로 한 수중물체 위치를 측정하는 시스템은 송신기와 수신기 사이의 전달 경로를 직선이라 가정하고 수중물체의 위치를 추정하였기 때문에 오차의 범위가 크게 나타난다. 따라서, 종래의 거리측정 방식으로 위치를 추정하는 방식을 개선하여 수중물체의 보다 정확한 위치정보를 판별하는 시스템이 필요한 실정이다.
As described above, the acoustic signal transmitted in the water is moved in the form of reflection and incident on the bending refraction phenomenon and the seabed terrain under the influence of the sound speed profile (SSP). However, in the conventional system for measuring the position of an underwater object based on distance, the error range is large because the position of the underwater object is estimated assuming that the transmission path between the transmitter and the receiver is a straight line. Therefore, there is a need for a system for determining more accurate position information of an underwater object by improving a method of estimating a position using a conventional distance measuring method.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 거리를 기반으로 수중물체의 정확한 위치를 추정하기 위하여 음선경로를 추적할 수 있는 음선추적 모델을 사용한 수중위치 추정 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an underwater position estimation system and method using a sound tracing model that can track a sound path to estimate the exact position of an underwater object based on distance. It is done.
본 발명의 실시예는, 적어도 3개 이상의 위치기준유닛(PRU)을 포함하는 데이터 전송부, 수중물체를 포함하는 데이터 수신부, 외부 중앙처리장치를 포함하는 데이터 처리부에 의해 수행되는 수중위치 추정 방법으로서, 상기 수중물체를 통해 위치기준유닛(PRU)으로부터 음향신호를 수신하는 단계; 상기 음향신호를 진폭과 시간지연 프로파일로 나타내고, 도착시간을 판별하는 단계; 상기 도착시간을 기준으로 상기 위치기준유닛과 수중물체의 직선거리를 추정하는 단계; 상기 직선거리를 통해 제1 추정위치를 삼각측량하여 추정하는 단계; 음선 경로의 길이를 계산하고, 상기 음선 경로의 길이에 따라 제2 추정위치를 추정하는 단계; 상기 제1 추정위치와 제2 추정위치간의 위치오차를 도출하는 단계; 상기 제1 추정위치에서 상기 위치오차를 뺀 값을 통해 보정위치를 도출하는 단계;를 포함한다. An embodiment of the present invention is an underwater position estimation method performed by a data transmission unit including at least three position reference units (PRUs), a data receiving unit including an underwater object, and a data processing unit including an external central processing unit. Receiving an acoustic signal from a position reference unit (PRU) through the underwater object; Representing the sound signal with an amplitude and a time delay profile, and determining arrival time; Estimating a linear distance between the position reference unit and the underwater object based on the arrival time; Triangulating and estimating a first estimated position based on the linear distance; Calculating a length of the sound path and estimating a second estimated position according to the length of the sound path; Deriving a position error between the first estimated position and the second estimated position; And deriving a correction position through a value obtained by subtracting the position error from the first estimated position.
본 발명의 실시예에 따르면, 수중음속분포와 해저지형정보를 이용하여 추적된 음선을 고려하여, 보다 정확하고 실질적인 수중물체의 위치를 찾을 수 있다. According to an embodiment of the present invention, it is possible to find a more accurate and substantial position of the underwater object in consideration of the sound line tracked using the hydrosonic distribution and the seabed topography information.
그리고, 온도, 해류, 해양오염 등의 상태를 지도상에 표시할 수 있으며, 이는 해양 생활 중에 일어나는 인명 및 난파선 구조 등에 활용할 수 있다. 또한, 위치정보 관리 기술은 해양 탐사 및 무인잠수함(ROV) 등을 활용한 수중 이동 물체 위치 추적 등으로 활용할 수 있으며, 해양 데이터 센싱정보 결합으로 보다 폭넓게 활용될 수 있다In addition, the state of the temperature, ocean currents, marine pollution, etc. can be displayed on the map, which can be used for life and shipwreck structure occurring during marine life. In addition, the location information management technology can be used for tracking the location of underwater moving objects using marine exploration and unmanned submarines (ROV), etc., and can be widely used by combining marine data sensing information.
따라서, 실시예에 따른 수중위치 추정 방법은 음선추적 모델을 사용하여 실제 음향신호가 이동하는 경로 및 도착시간을 추정함으로써, 기존의 거리측정 방식으로 위치를 추정하는 방식의 시스템에 비해 수중물체의 실제 위치 추정값의 오차범위를 감소시킬 수 있다. Accordingly, the underwater position estimation method according to the embodiment estimates the path and arrival time of the actual acoustic signal using the sound ray tracing model, so that the actual position of the underwater object is compared to the system of estimating the position by the conventional distance measuring method. The error range of the position estimate can be reduced.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중위치 추정기법을 위한 개략도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 추정기법의 알고리즘 개략도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 음선추적 프로그램 블록도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 음선추적 모델에 따라 계산된, 데이터 전송부와 수중물체 사이의 음선 경로를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 음선추적 모델에 따라 계산된 진폭과 시간지연 프로파일을 나타내는 도면
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 추정 방법을 순서에 따라 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수중위치 추정 방법을 나타낸 흐름도1 is a schematic diagram for the underwater position estimation method according to an embodiment of the present invention
2 is a schematic diagram of an algorithm of an estimation method according to an embodiment of the present invention.
3 is a sound trace tracking program block diagram according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a sound path between a data transmitter and an underwater object calculated according to a sound ray tracking model according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating amplitude and time delay profiles calculated according to a sound ray tracing model according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating an estimation method in order according to an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a method for estimating an underwater position according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but are not limited or limited by the embodiments of the present invention. In describing the present invention, a detailed description of known functions or configurations may be omitted to clarify the gist of the present invention.
본 발명은 수심에 따른 수중음속 분포(Sound speed profile, SSP)와 지역의 해저지형정보(Bathymetry)를 이용하여 추적된 음선을 이용한 수중위치 추정 시스템 및 방법을 제안한다. The present invention proposes an underwater position estimation system and method using a sound line tracked by using a sound speed profile (SSP) according to a depth of water and a basin geometry of a region.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중위치 추정방법을 위한 개략도이다. 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 수중위치 추적 시스템에 대하여 설명한다. 1 is a schematic diagram for an underwater position estimation method according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 1, the underwater position tracking system according to the present invention will be described.
수중 물체의 위치를 찾기 위해서 수중 음향 시스템은 데이터 수신부와 데이터 전송부, 데이터 처리부로 구성된다. 데이터 수신부는 수중물체를 의미하며, 무인잠수함(ROV, 22) 또는 수중 센서(21)로 구성될 수 있다. 수중 센서(21)는 압력 센서로서 수중물체의 깊이를 파악하고, 수중에 설치된 위치기준유닛(PRU, Position Reference Unit, 10)으로부터 음향신호를 수신하는 역할을 한다. 수중 물체는 PRU(10)로부터 수신된 음향신호를 진폭과 시간지연 프로파일(Amplitude and Delay Profile, ADP)로 나타낼 수 있으며, PRU(10)에서 수중 물체로 도착한 시간 중에서, 최적의 도착시간을 소정의 기준에 따라 추출한다. 이 후 추출된 도착시간과 수중물체의 깊이 정보를 데이터 전송부에 전송한다. In order to find the position of the underwater object, the underwater acoustic system is composed of a data receiver, a data transmitter, and a data processor. The data receiver refers to an underwater object, and may be configured as an unmanned submarine (ROV) 22 or an
데이터 전송부는 수면 아래에 배치된 3개 이상의 위치기준유닛(PRU, 10)을 필요로 한다. PRU(10)는 송수신기와 부이, 송수신기와 부이를 연결하는 케이블로 이루어지고, PRU(10)의 송수신기는 데이터 수신부와 동기화될 수 있다. 송수신기를 통해 음향신호를 수중물체로 전달하며, 데이터 수신부에서 추출한 도착시간(Time of Arrival, ToA)값과 깊이 정보를 송신한다. PRU(10)의 부이는 시각동기 장치와 무선통신기를 장착하고 있으며, 시각동기 장치를 통해 PRU(10)의 좌표를 알 수 있고, 무선통신기를 통해 외부 중앙처리장치로 수신한 데이터(도착시간, 수중물체의 깊이좌표, 측정한 수중음속분포)를 전송한다. 또한, PRU(10)는 수중음속분포를 실시간으로 측정하고 송수신기의 깊이를 결정하기 위해 상하로 움직일 수 있다. 그리고, 데이터 처리부는 수상의 보트나, 해안가의 건물에 있는 외부 중앙처리장치이며, 위치기준유닛에 마련된 부이로부터 전송된 신호를 처리하는 역할을 한다.The data transmission unit requires three or more position reference units (PRUs) 10 arranged below the surface of the water. The
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 추정기법의 알고리즘 개략도이다. 도 2를 참조하여, 본 발명의 추정방법을 개략적으로 설명한다. 2 is an algorithm schematic diagram of an estimation technique according to an embodiment of the present invention. 2, the estimation method of the present invention will be schematically described.
PRU(10)에서 데이터 수신부로 도착한 도착시간의 정보를 통해 수중물체의 위치를 추정하며, ①최초로 수중물체의 위치를 찾을 시에는 음향신호의 전달경로를 직선인 것으로 가정하고 거리를 추정하여 제1 추정위치를 도출한다. 이어서, 계산된 초기 위치 정보를 토대로 음선추적 모델을 사용하여 유효한 음선의 경로를 예측한다. ②예측된 음선의 경로 길이를 이용하여 제2 추정위치를 도출하고 위치오차를 계산한다. ③상기 위치오차만큼 제1 추정위치를 보정하여, 실제 수중물체의 위치를 도출한다. The position of the underwater object is estimated based on the arrival time information arrived at the data receiving unit from the PRU 10. ① When the position of the underwater object is first found, the distance is estimated by assuming that the path of transmission of the acoustic signal is straight. Deduce the estimated position. Subsequently, a sound ray tracking model is used to predict a path of a valid sound ray based on the calculated initial position information. (2) A second estimated position is derived from the predicted sound path length and the position error is calculated. ③ The first estimated position is corrected by the position error to derive the actual position of the underwater object.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 음선추적 프로그램 블록도이다. 3 is a sound trace tracking program block diagram according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 음선추적이라 함은 음선이 진행하는 경로를 계산하여 추적하는 방법을 말한다. 음선추적 모델의 대표적인 예시는 Gaussian Beam Tracing 기반의 표준 음선식이고, 이는 다음의 수학식으로 표현된다. Referring to FIG. 3, the sound ray tracking refers to a method of calculating and tracking a path of a sound ray. A representative example of the sound tracing model is a standard sound equation based on Gaussian Beam Tracing, which is represented by the following equation.
여기서 r은 수평 거리이며, z는 수심을 나타내고, r=(r(s), z(s))로 호의 길이 s의 함수로 표현된다. 또한, c(r,z)는 음속을 나타낸다. 음속은 깊이에 따라 변화하며, 온도와 밀도, 압력 등에 영향을 받게 된다. 수학식 1을 기반으로, 수중음속분포(Sound speed profile), 해저지형정보(Bathymetry), 위치기준점(PRU)과 수중물체 간의 거리(Range)와 각각의 깊이(Depth), 반송 주파수(carrier Frequency)의 정보를 활용하여 음선 경로를 예측하며, 이 경로를 따라 음선경로의 길이를 계산할 수 있다. 또한, 음선들의 진폭과 시간지연 정보를 제공함으로써, 음향신호의 전달 경로를 알 수 있다. 이러한 음선추적 모델은 해양 음향학, 수중 음향 통신 및 음향 온도 측정 등에 적용되고 있다. Where r is the horizontal distance, z is the depth, and is expressed as a function of the length s of the arc with r = (r (s), z (s)). In addition, c (r, z) represents a sound velocity. Sound velocity varies with depth and is affected by temperature, density and pressure. Based on
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 음선추적 모델에 따라 계산된 데이터 전송부와 수중물체 사이의 음선 경로를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 대표적인 음선추적 모델인 BELLHOP을 사용하여 계산된 음선 경로를 나타낸 것이며, 위치기준유닛(PRU)와 수중물체 사이의 실제 직선 거리를 di라고 했을 때, 상기 위치기준유닛(PRU)와 수중물체 사이를 이동하는 실제 음향 신호의 예상 이동 경로를 나타낸 것이다. 4 is a view showing a sound path between the data transmitter and the underwater object calculated according to the sound ray tracking model according to the embodiment of the present invention. 4 shows a sound path calculated using a representative sound tracking model BELLHOP, and when the actual linear distance between the position reference unit (PRU) and the underwater object is d i , the position reference unit (PRU) ) Shows the expected movement path of the actual acoustic signal moving between the object and the underwater object.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 음선추적 모델에 따라 계산된 진폭과 시간지연 프로파일을 나타내는 도면이다. 위치기준유닛(PRU)에서 측정되는 수중음속 분포에 따른 진폭과 시간지연 정보를 판별하여, 가장 큰 진폭을 갖는 음향신호의 도착시간에 따른 거리를 도 5을 통해 추출하고, 추출된 음선 경로를 음선추적 모델에 적용시켜 선택된 음선 경로(li)를 실제 음향 신호의 이동 경로라고 추정할 수 있다. 5 is a diagram illustrating amplitude and time delay profiles calculated according to a sound ray tracing model according to an exemplary embodiment of the present invention. By determining the amplitude and time delay information according to the hydrosonic distribution measured by the position reference unit (PRU), the distance according to the arrival time of the acoustic signal having the largest amplitude is extracted through FIG. 5, and the extracted sound path is The selected sound path path l i may be applied to the tracking model to estimate the movement path of the actual acoustic signal.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 추정 방법을 순서에 따라 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수중위치 추정 방법을 나타낸 흐름도이다. 이하에서는, 도 5와 도 6을 참조하여 실제 수중물체의 위치를 추정하는 수중위치 추정 방법에 대해 상세히 설명한다. 6 is a diagram illustrating an estimation method according to an embodiment of the present invention in order, and FIG. 7 is a flowchart illustrating an underwater position estimation method according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, an underwater position estimation method for estimating the actual position of the underwater object will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 6.
우선 데이터 수신부에서는, 수중물체의 위치 Xreal(x,y,z)를 찾기 위해, 최소 3개 이상의 기준위치유닛(PRU)로부터 전송되는 음향신호를 수신한다(S1 단계). 수신된 음향신호는 진폭과 시간지연 프로파일(Amplitude & Delay Profile, ADP)로 나타내어지며, 해저지형에 서로 다른 입사각으로 입사되어 반사되는, 즉 서로 다른 경로로 이동하는 음향신호는 서로 다른 도착시간(Time of Arrival, ToA)을 나타내며, 하기와 같은 몇가지 기준으로 도착시간(ti)를 추출할 수 있다(S2 단계). First, in order to find the position X real (x, y, z) of the underwater object, the data receiver receives an acoustic signal transmitted from at least three reference position units (PRUs) (step S1). The received acoustic signal is represented by amplitude and delay profile (ADP), and the acoustic signal incident and reflected at different angles of incidence on the seabed topography, that is, traveling in different paths, has different time of arrival. of Arrival, ToA), and the arrival time t i may be extracted based on several criteria as follows (step S2).
1) 가장 큰 진폭을 갖는 음향신호의 도착시간으로 추출1) Extraction by arrival time of the acoustic signal with the largest amplitude
2) 가장 빨리 도달한 음향신호의 도착시간으로 추출2) Extracted by the arrival time of the sound signal that arrived fastest
3) 가장 큰 진폭을 기준으로 1/2 이상의 진폭을 가진 음향신호 중에서, 가장 빨리 도달한 음향신호의 도착시간으로 추출3) Extraction of the arrival time of the sound signal that has reached the earliest among the sound signals having the amplitude of 1/2 or more based on the largest amplitude.
이 때, 가장 큰 진폭을 갖는 음향신호의 도착시간으로 설정하는 방법이 정확도 측면에서 바람직하지만, 이에 한정되지는 않는다. At this time, the method of setting the arrival time of the acoustic signal having the largest amplitude is preferable in terms of accuracy, but is not limited thereto.
위의 방법 중 한가지를 선택하여 추출된 도착시간(ti)과 수중물체의 깊이 정보를 위치기준유닛(PRU)으로 전송한다(S3 단계). 상기 수중물체의 깊이 정보는 수중 물체 내에 구비된 압력 센서를 통해 알 수 있다. One of the above methods is selected, and the extracted arrival time t i and depth information of the underwater object are transmitted to the location reference unit PRU (step S3). Depth information of the underwater object can be known through a pressure sensor provided in the underwater object.
이어서, 데이터 전송부인 위치기준점(PRU)으로 수신된 도착시간(ti)과 수중물체의 깊이 정보, 그리고 측정한 수중음속 분포 정보를 위치기준유닛(PRU)에 마련된 무선통신기를 사용하여, 데이터 처리부로 전송한다(S4 단계). Subsequently, the data processing unit uses the wireless telecommunication device provided in the position reference unit PRU to receive the arrival time t i , the depth information of the underwater object, and the measured underwater sound velocity distribution information received by the position reference point PRU, which is a data transmission unit. To transmit (step S4).
데이터 처리부에서는 추출된 도착시간(ti)을 기준으로 직선거리(d'i)를 다음의 수학식에 의해 추정한다(S5 단계). The data processor estimates the linear distance d ' i based on the extracted arrival time t i by the following equation (step S5).
측정된 직선거리 d'i는 S5 단계에서 추출된 음선의 도착시간(ti)를 기반으로 측정된 거리이며, 이 때 d'i는 음향신호의 굴절과 반사로 인해 실제 직선거리인 di와 같거나 그 이상의 값을 갖는다. The measured linear distance d ' i is measured based on the arrival time t i of the sound line extracted in step S5. Distance, where d ' i is equal to or greater than the actual straight distance d i due to refraction and reflection of the acoustic signal.
여기서, 음향신호의 평균속도 c_mean _i(zi,z)는 측정된 수중음속 분포 정보를 기반으로 하여, 위치기준유닛(PRU)의 수심 zi과 수중물체의 수심 z에 따른 음향 평균속도(m/s)를 통해 계산될 수 있다. Here, the average speed c_ mean _i (z i , z) of the sound signal is based on the measured underwater sound velocity distribution information, and the average sound velocity according to the depth z i of the position reference unit (PRU) and the depth z of the underwater object ( m / s).
상기와 같이 계산된 직선거리(d'i)를 토대로 하여, 수중물체의 제1 추정위치 X1(x1, y1, z1)를 다음과 같은 수학식에 의해 도출한다. Based on the linear distance d' i calculated as described above, the first estimated position X 1 (x 1 , y 1 , z 1 ) of the underwater object is derived by the following equation.
즉, 계산된 직선거리(d'i)를 이용하여, 도 5의 (2)에 도시된 바와 같이, 3개의 위치기준점(PRU)에 의한 최소자승법을 이용한 3각 측량으로 수중물체의 제1 추정위치를 도출할 수 있다(S6 단계). That is, using the calculated straight line distance d' i , as shown in (2) of FIG. 5, the first estimation of the underwater object by triangulation using a least square method using three position reference points (PRU) The position can be derived (step S6).
이어서, 데이터 처리부의 외부 중앙처리장치는 수중음속 분포 정보와 해저지형정보를 기반으로 하여 X1(x1, y1, z1)를 이용하여 음선추적하는 단계를 수행한다(S7 단계).Subsequently, the external central processing unit of the data processor performs sound ray tracing using X 1 (x 1 , y 1 , z 1 ) based on the underwater sound velocity distribution information and the seabed topography information (step S7).
그리고, 음선추적 모델에서 생성된 진폭과 시간지연 프로파일(ADP)을 보고, 음향신호의 도착시간을 고려한 음선을 선택한 후(S8 단계), 선택한 음선 경로의 길이 li를 계산한다(S9 단계).Then, the amplitude and time delay profile (ADP) generated in the sound ray tracking model are selected, and the sound line considering the arrival time of the sound signal is selected (step S8), and the length l i of the selected sound path is calculated (step S9).
계산된 음선경로의 길이 li에 따라, 음선경로를 기반으로 한 수중물체의 제2 추정위치인 X2(x2, y2, z2)을 도 5의 (3)에 도시된 바와 같이 최소자승법을 사용한 3각 측량으로 추정할 수 있으며, 이는 하기 수학식으로 계산된다. According to the calculated sound path length l i , the second estimated position X 2 (x 2 , y 2 , z 2 ) of the underwater object based on the sound path is minimized as shown in (3) of FIG. 5. It can be estimated by triangulation using the square method, which is calculated by the following equation.
따라서, 수중물체에 대한 제1 추정위치와 제2 추정위치의 위치오차를 하기와 같은 수학식에 의해 도출할 수 있다(S10 단계). Therefore, the positional error between the first estimated position and the second estimated position with respect to the underwater object can be derived by the following equation (step S10).
즉, 제1 추정위치와 상기 제1 추정위치에서 음선의 길이로 추정한 제2 추정위치의 위치 차이를 이용해 보정된 위치인 보정 위치를 도출할 수 있으며(S11 단계), 이는 실제 수중물체의 위치인 것으로 판단할 수 있다. 여기서, 해저지형은 수미터의 거리에서는 크게 변하지 않는 것으로 가정하였으며, 제1 추정위치와 제2 추정위치는 실제 이동하는 음선의 경로가 동일한 것으로 가정하였다. That is, using the position difference between the first estimated position and the second estimated position estimated by the length of the sound line at the first estimated position, a corrected position may be derived (step S11), which is the actual position of the underwater object. It can be judged that Here, it is assumed that the seabed topography does not change significantly at a distance of several meters, and it is assumed that the first estimated position and the second estimated position have the same path of the actually moving sound line.
즉, 제1 추정위치와 제2 추정위치는 수중물체로 전달되는 음향신호가 직선인 것으로 가정하여 도출한 것이다. 따라서, 수중물체의 실제 위치는 제1 추정위치에서 제1 추정위치와 제2 추정위치의 차이만큼을 빼준 위치에 있는 것으로 추정할 수 있다. That is, the first estimated position and the second estimated position are derived assuming that the acoustic signal transmitted to the underwater object is a straight line. Therefore, it can be estimated that the actual position of the underwater object is located at the position obtained by subtracting the difference between the first estimated position and the second estimated position from the first estimated position.
한편, 음향신호의 평균속도 c_mean _i(zi,z)의 초기값을 잘못 추정한 경우에는, 수중물체의 실제 위치에 큰 오차가 발생할 수 있다. 따라서, 음선 경로를 기반으로 한 음선 평균속도로 업데이트하는 과정을 수행하여, 처음 추정된 제1 추정위치에 대한 위치 정확도를 향상시키는 과정을 더 포함할 수 있다. 이러한 수중위치 추정 방법의 알고리즘은 n-1 번째 업데이트된 실제 측정위치값과 n번째 업데이트된 실제 측정위치값 사이의 오차가 기설정된 값 이내인지를 판별하는 단계를 수행하고(S12 단계), 이를 만족하는 경우에는 수중물체의 추정 알고리즘을 종료한다. On the other hand, if the initial value of the average speed c_ mean _ i (z i , z) of the acoustic signal is incorrectly estimated, a large error may occur in the actual position of the underwater object. Accordingly, the method may further include updating the positional accuracy of the first estimated position by performing the process of updating the average sound speed based on the sound path. The algorithm of the underwater position estimation method performs a step of determining whether an error between the n-1 th updated actual measured position value and the n th updated actual measured position value is within a preset value (step S12), and satisfies this. If so, the estimation algorithm of the underwater object is terminated.
이하에서는, 초기 음향신호의 평균속도 c_mean _i(zi,z)의 오차에 따라, 수중위치 추정 방법의 알고리즘의 n-1 번째 업데이트된 실제 측정위치값과 n번째 업데이트된 실제 측정위치값 사이의 오차가 기설정된 값을 초과하는 경우의 업데이트 방법에 대해 설명한다. Hereinafter, between the n-1 th updated actual measured position value and the n th updated actual measured position value of the algorithm of the underwater position estimation method according to the error of the average velocity c_ mean _i (z i , z) of the initial acoustic signal. An update method in the case where the error of P exceeds a preset value will be described.
초기 음향신호의 평균속도 c_mean _i(zi,z)는 음향신호가 직선으로 이동한다는 가정하에, 위치기준점(PRU)과 수중물체의 깊이에 따른 음향속도의 평균값을 도출하였다. 그러나, 이는 실제 음선 경로가 고려되지 않은 것으로, 첫번째로 추정된 위치인 제1 추정위치는 초기 오차가 크게 발생할 수 있다. 이러한 오차를 감소시키기 위해 음선추적 모델을 통해 도출된 경로를 기반으로 초기 음향신호의 평균속도 c_mean_i(zi,z)를 음선경로 평균속도 cray로 업데이트하는 단계를 수행할 수 있다. 음선경로 평균속도 cray는 음선경로의 길이를 음선추적 모델을 통해 도출된 도착시간으로 나눠준 값으로 계산할 수 있다. The average velocity c_ mean _i (z i , z) of the initial acoustic signal was derived based on the position reference point (PRU) and the depth of the underwater object under the assumption that the acoustic signal moved in a straight line. However, this is because the actual sound path is not considered, and the first estimated position, which is the first estimated position, may have a large initial error. In order to reduce this error, the average speed c_ mean_i (z i , z) of the initial sound signal may be updated to the sound path mean speed c ray based on the path derived through the sound ray tracking model. The mean velocity c ray can be calculated by dividing the length of the ray path by the arrival time derived from the ray tracing model.
상기 음선경로 평균속도 cray와 음선경로의 도착시간(ti)을 곱하여, 음선경로의 거리 dray를 계산한다. 상기 음선경로의 거리를 기반으로 제1' 추정위치(를 최소자승법을 이용한 3각 측량을 통해, 하기의 수학식으로 계산한다. The distance d ray of the sound path is calculated by multiplying the sound path mean velocity c ray by the arrival time t i of the sound path. Based on the distance of the sound path, the first 'estimated position' is calculated by the following equation through triangulation using the least square method.
이어서, 음선추적 모델을 통해 음선을 판별하여 추출한 후, 음선경로에 따른 길이 lray -i를 도출한다. 상기 음선경로에 따른 길이 lray -i는 제1' 추정위치, 위치기준유닛, 해저지형정보, 수중음속분포의 정보를 이용하여 음선추적 모델을 통해 도출될 수 있다. Subsequently, the sound ray is discriminated and extracted through the sound ray tracing model, and then the length l ray -i according to the sound ray path is derived. The length l ray -i according to the sound path may be derived through the sound ray tracking model using information of the first estimated position, the position reference unit, the seabed topography information, and the underwater sound velocity distribution.
상기와 같이 업데이트된 lray -i를 통해 최소자승법을 이용한 3각 측량으로 제2' 추정위치(Xrayl(xrayl,yrayl,zrayl))를 하기의 수학식 7로 계산하고, 수학식 8과 같이 제1 추정위치와 제2 추정위치 사이의 오차를 계산한다. The second estimated position (X rayl (x rayl , y rayl , z rayl )) is calculated by
이어서, 제1' 추정위치에서 상기 오차만큼의 값을 빼주어 업데이트된 제1 보정위치(X'ray(x'r,y'r,z'r))를 도출한다. 따라서, 초기 음향신호의 평균속도 c_mean_i(zi,z) 변화에 따라, 제1' 추정위치에서 보정되어 추정되는 수중물체의 실제위치가 업데이트된다(S13 단계). 상기와 같이 업데이트된 제1 보정 위치(n번째)와 이전 보정 위치(n-1번째)의 오차를 계산하여, 상기 오차가 허용범위 이내인지를 판별하는 단계(S12)를 다시 수행한다. 이를 만족하는 경우, 최종적인 수중물체의 위치는 X'ray(x'r,y'r,z'r) 인 것으로 추정할 수 있다. 또한, 이를 만족하지 않는 경우에는 상기의 S13 단계를 다시 수행하여 제2 보정 위치를 도출하고, 상기 제1 보정 위치와의 오차를 판별하여 실제 수중물체의 위치를 보다 정확하게 추정할 수 있다. Subsequently, the updated first correction position X ' ray (x' r , y ' r , z' r ) is derived by subtracting the value corresponding to the error from the first 'estimated position. Therefore, according to the change in the average speed c_ mean_i (z i , z) of the initial sound signal, the actual position of the underwater object corrected and estimated at the first estimated position is updated (step S13). By calculating an error between the updated first corrected position (n-th) and the previous corrected position (n-th), the method determines whether the error is within the allowable range (S12). If this is satisfied, the final position of the underwater object can be estimated to be X ' ray (x' r , y ' r , z' r ). In addition, if this is not satisfied, the second correction position may be derived by performing step S13 again, and an error with the first correction position may be determined to more accurately estimate the actual position of the underwater object.
이와 같이, 실시예에 따른 수중위치 추정 방법은 음선추적 모델을 사용하여 실제 음향신호가 이동하는 경로 및 도착시간을 추정함으로써, 기존의 거리측정 방식으로 위치를 추정하는 방식의 시스템에 비해 수중물체의 실제 위치 추정값의 오차범위를 감소시킬 수 있으며, 보다 정확하고 실질적인 수중물체의 위치를 찾을 수 있다. As described above, the method for estimating the underwater position according to the embodiment estimates the path and arrival time of the actual acoustic signal using the sound ray tracing model, thereby comparing the position of the underwater object compared to the system of estimating the position by the conventional distance measuring method. It is possible to reduce the error range of the actual position estimate and to find a more accurate and practical position of the underwater object.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The present invention has been described above with reference to preferred embodiments thereof, which are merely examples and are not intended to limit the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains do not depart from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications not illustrated above are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment of the present invention can be modified. And differences relating to these modifications and applications will have to be construed as being included in the scope of the invention defined in the appended claims.
Claims (12)
상기 수중물체를 통해 상기 각각의 위치기준유닛으로부터 음향신호를 각각 수신하는 단계;
수신한 각각의 음향신호를 진폭과 시간지연 프로파일로 나타내고, 상기 각각의 음향신호의 도착시간을 추출하는 단계;
상기 각 도착시간을 기준으로 상기 각각의 위치기준유닛과 수중물체 사이의 직선거리를 각각 추정하는 단계;
추정된 각각의 상기 직선거리를 통해 제1 추정위치를 삼각측량하여 추정하는 단계;
상기 각각의 위치기준유닛과 상기 수중물체 사이의 음향 신호의 예상 이동 경로인 음선 경로의 길이를 음선추적 모델을 이용하여 계산하고, 상기 음선 경로의 길이를 이용하여 상기 수중물체의 제2 추정위치를 추정하는 단계; 상기 제1 추정위치와 제2 추정위치간의 위치오차를 도출하는 단계;
상기 제1 추정위치에서 상기 위치오차를 뺀 값을 통해 보정위치를 도출하는 단계;를 포함하는 수중위치 추정 방법.An underwater position estimation method performed by a data transmission unit including at least three or more Position Reference Units, a data receiving unit including an underwater object, and a data processing unit including an external central processing unit,
Receiving sound signals from the respective position reference units through the underwater object;
Representing each received sound signal with an amplitude and a time delay profile, and extracting arrival times of the respective sound signals;
Estimating a linear distance between the respective position reference unit and the underwater object based on the respective arrival times;
Triangulating and estimating a first estimated position using each estimated straight line distance;
The length of the sound path, which is an expected movement path of the acoustic signal between each position reference unit and the underwater object, is calculated using a sound ray tracing model, and the second estimated position of the underwater object is determined using the length of the sound path. Estimating; Deriving a position error between the first estimated position and the second estimated position;
And deriving a corrected position through a value obtained by subtracting the position error from the first estimated position.
상기 데이터 수신부 또는 수중물체는 압력을 측정할 수 있는 수중센서 또는 무인잠수함인 것을 특징으로 하는 수중위치 추정 방법.The method of claim 1,
The data receiver or the underwater object is an underwater position estimation method, characterized in that the underwater sensor or an unmanned submarine that can measure the pressure.
상기 도착시간은 상기 각각의 위치기준유닛에서 수신되는 음향신호에 의한 진폭과 시간지연 프로파일을 이용하여, 상기 음향신호 중 가장 큰 진폭을 가진 음향신호의 도착시간으로 추출하는 수중위치 추정 방법. The method of claim 1,
And the arrival time is extracted as the arrival time of the acoustic signal having the largest amplitude among the acoustic signals by using the amplitude and the time delay profile of the acoustic signal received at each position reference unit.
상기 도착시간은 상기 각각의 위치기준유닛에서 수신되는 음향신호에 의한 진폭과 시간지연 프로파일을 이용하여, 상기 음향신호 중 상기 수중물체로 가장 빨리 도달한 도착시간으로 추출하는 수중위치 추정 방법. The method of claim 1,
The arrival time is an underwater position estimation method for extracting the arrival time of the arrival to the underwater object of the sound signal, using the amplitude and time delay profile of the acoustic signal received from each position reference unit.
상기 도착시간은 상기 각각의 위치기준유닛에서 수신되는 음향신호에 의한 진폭과 시간지연 프로파일을 이용하여, 상기 음향신호 중 가장 큰 진폭의 1/2 이상의 진폭을 가지면서 가장 빨리 상기 수중물체로 도달한 음향신호의 도착시간으로 추출하는 수중위치 추정 방법. The method of claim 1,
The arrival time arrives at the underwater object as soon as possible, having an amplitude of 1/2 or more of the largest amplitude of the acoustic signals by using the amplitude and the time delay profile of the acoustic signal received from each position reference unit. An underwater position estimation method for extracting the arrival time of an acoustic signal.
상기 위치기준유닛과 수중물체의 직선거리는, 위치기준유닛에서 측정된 수중음속 분포 정보를 기반으로, 상기 위치기준유닛의 수심과 수중물체의 수심에 따른 음향 평균속도를 상기 도착시간과 곱하여 도출되는 수중위치 추정 방법. The method of claim 1,
The linear distance between the position reference unit and the underwater object is derived by multiplying the average sound velocity according to the depth of the position reference unit and the depth of the underwater object by the arrival time based on the underwater sound velocity distribution information measured by the position reference unit. Location estimation method.
상기 각각의 위치기준유닛과 상기 수중물체 사이의 음향 신호의 예상 이동 경로인 음선 경로의 길이를 음선추적 모델을 이용하여 계산하고,
상기 음선 경로의 길이를 이용하여 상기 수중물체의 제2 추정위치를 추정하는 단계는
상기 제1 추정위치에서 측정된 수중음속 분포 정보와 해저지형정보를 기반으로 한 상기 음선추적 모델을 사용하여 음선을 추적하여, 상기 음선 경로의 길이를 계산하고, 상기 음선 경로의 길이를 이용하여 상기 제2 추정위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 수중위치 추정 방법. The method of claim 1,
The length of the sound path, which is an expected movement path of the acoustic signal between the respective position reference units and the underwater object, is calculated using a sound ray tracking model,
Estimating a second estimated position of the underwater object using the length of the sound path;
The sound ray is traced using the sound ray tracing model based on the underwater sound velocity distribution information and the seabed topography information measured at the first estimated position, the length of the sound ray path is calculated, and the length of the sound ray path is used. And estimating a second estimated position.
상기 음선 경로의 길이는,상기 음선추적 모델을 통해 도출된 진폭과 시간지연 프로파일을 이용하여, 상기 각각의 위치기준유닛에서 수신된 음향신호 중 가장 큰 진폭을 가진 음향신호의 도착시간을 고려한 음선을 선택하고, 선택한 음선 경로의 길이를 계산한 것인,
수중위치 추정 방법. The method of claim 7, wherein
The length of the sound path may be obtained by considering the arrival time of the sound signal having the largest amplitude among the sound signals received from the respective position reference units, using the amplitude and the time delay profile derived through the sound ray tracking model. To calculate the length of the selected sound path,
Underwater location estimation method.
상기 음선 경로의 길이는 제1 추정위치, 위치기준유닛, 수중음속 분포 정보 및 해저지형정보를 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 수중위치 추정 방법. The method of claim 7, wherein
And the length of the sound path is derived from a first estimated position, a position reference unit, underwater sound velocity distribution information, and seabed topography information.
도출된 보정위치를 수중물체의 위치로 업데이트하여 제1 보정위치를 도출하는 단계를 더 포함하는 수중위치 추정 방법. The method of claim 1,
And deriving a first correction position by updating the derived correction position with the position of the underwater object.
상기 도출된 보정위치를 업데이트하여 제1 보정위치를 도출하는 단계는,
음선 추적으로 계산된 음선 경로의 길이와 도착시간을 기반으로 음선 경로의 평균속도를 도출하는 단계와,
상기 음선 경로의 평균속도와 상기 음선 경로의 도착시간을 기반으로 음선 경로의 거리를 계산하고, 상기 음선 경로의 거리를 기반으로 제1' 추정위치를 도출하는 단계와,
상기 도출된 제1' 추정위치에서 상기 음선추적 모델을 통해 도출된 음선 경로에 따른 길이를 사용하여, 제2' 추정위치를 도출하는 단계와,
상기 제1' 추정위치와 제2' 추정위치간의 위치오차를 도출하는 단계와,
상기 제1' 추정위치에서 상기 위치오차를 뺀 값을 통해 제1 보정위치를 도출하는 단계를 포함하는 수중위치 추정 방법.The method of claim 10,
Deriving a first correction position by updating the derived correction position,
Deriving an average velocity of the sound path based on the length and arrival time of the sound path calculated by the sound trace;
Calculating a distance of the sound path based on the average speed of the sound path and the arrival time of the sound path, and deriving a first estimated position based on the distance of the sound path;
Deriving a second 'estimated position by using a length along a sound line path derived through the sound ray tracing model at the derived first' estimated position;
Deriving a position error between the first estimated position and the second estimated position;
And deriving a first correction position through a value obtained by subtracting the position error from the first 'estimated position.
상기 보정위치와 제1 보정위치의 위치오차가 기설정된 값 이내이면 상기 제1 보정위치를 수중물체의 실제위치로 도출하는 수중위치 추정 방법.The method of claim 10,
And deriving the first corrected position as an actual position of the underwater object when the position error between the corrected position and the first corrected position is within a preset value.
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