KR102140929B1 - 무인기를 이용한 기상관측 시스템 및 그 방법 - Google Patents

무인기를 이용한 기상관측 시스템 및 그 방법 Download PDF

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엄태상
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Abstract

본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 시스템은 무인기; 무인기에 탑재되어 기상데이터를 계측하는 기상관측 장비; 무인기 및 기상관측 장비를 제어하고 기상데이터를 수신하는 사용자 단말기; 통신망으로 연결된 사용자 단말기에 기상정보, 항로정보, 비행 이력정보를 제공하는 항법관제 서버; 위치정보를 산출할 수 있도록 무인기 및 상기 사용자 단말기에 방위정보를 전달하는 인공위성; 상기 사용자 단말기가 수신한 기상데이터를 수신하여 저장관리하는 빅데이터 서버;를 포함하여, 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속 등의 기상현상을 고도별로 실시간으로 정확하게 관측하여 대기경계층 연구에 활용할 수 있는 효과가 있다.

Description

무인기를 이용한 기상관측 시스템 및 그 방법{SYSTEM FOR METEOROLOGICAL OBERVATION USING UAV AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 무인기를 이용한 기상관측 시스템 및 그 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 멀티콥터형 소형무인기와 해당 소형무인기에 장착된 기상관측 장비를 이용하여 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속 등 기상요소를 고도별로 실시간 관측하고, 실제 기상현상을 시각적으로 확인할 수 있는 고화질의 영상으로 제공할 수 있는 무인기를 이용한 기상관측 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
종래 고층기상관측용으로 사용되는 라디오존데는 풍선 모양의 기구에 센서와 무선 송신기를 달아 올린 후 지상에서 그 전파를 수신하여 대기 중의 기상 상태를 측정하는 일회용 기구로 1일 2회 관측이 이루어져 상당한 관측 공백시간이 발생하여 기상요소에 대한 고도별 실시간 관측이 어려운 문제점이 있다.
또한, 최근 기상계측연구의 중요대상인 대기경계층(PBL:Planetaty Boundary Layer)을 관측하기 위해서 고고도 관측 및 특정위치로의 이동이 자유로운 장비 사용이 요구되고 있으며, 고고도 기상관측에 MAV(Mammed Aerial Vehicles), 라디오존데adiosonde) 등이 사용되고 있는데, 상기 MAV는 유인기를 활용하는 것으로 비용이 많이 소요되고, 상기 라디오존데는 목적한 특정 지점을 특정시간에 관측할 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 종래 고도별 기상관측은 대부분 라디오존데를 사용하고 있으나 상공의 바람에 따라 상승이동하기 때문에 목적관측을 위해 특정고도(대기경계층)에서 지속적인 실시간 기상관측이 곤란한 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1398832호(2014. 05. 19)
상술한 문제점을 해결하고 상술한 필요와 실정에 부응하기 위해 본 발명은 대기 상층에서 이동하는 멀티콥터형 소형무인기와 해당 소형무인기에 장착된 복합센서를 이용하여 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속 등 기상요소의 고도별 실시간 관측하고, 실제 기상현상을 시각적으로 확인할 수 있는 고화질의 영상을 통해 라디오존데의 관측 공백시간을 보완하고 지상의 기상현상을 감시하는 무인기를 이용한 기상관측 시스템의 제공을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 시스템은 무인기; 상기 무인기에 탑재되어 기상데이터를 계측하는 기상관측 장비; 상기 무인기 및 기상관측 장비를 제어하고 상기 기상데이터를 수신하는 사용자 단말기; 통신망으로 연결된 상기 사용자 단말기에 기상정보, 항로정보, 비행 이력정보를 제공하는 항법관제 서버; 위치정보를 산출할 수 있도록 상기 무인기 및 상기 사용자 단말기에 방위정보를 전달하는 인공위성; 상기 사용자 단말기가 수신한 상기 기상데이터를 수신하여 저장관리하는 빅데이터 서버;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 방법은 (a) 무인기의 이륙을 준비하는 단계; (b) 상기 무인기의 이륙 준비가 완료되면, 사용자 단말기가 상기 무인기의 비행상태 정상여부를 확인하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 상기 무인기의 비행상태가 정상인 경우 상기 사용자 단말기가 항법관제 서버에서 수신한 항로정보를 상기 무인기에 제공하여, 상기 무인기를 대기경계층(PBL:Planetaty Boundary Layer)으로 이동시키는 단계; (d) 기상관측이 필요한 위치에 진입한 상기 무인기가 상기 사용자 단말기로부터 계측시작 신호를 전달받아 계측비행을 하면, 상기 기상관측 장비가 기상을 계측하는 단계; (e) 상기 사용자 단말기가 상기 기상관측 장비로부터 상기 대기경계층의 기상데이터를 요청하여 실시간으로 수신하는 단계; 및 (f) 상기 사용자 단말기가 수신한 상기 기상데이터를 빅데이터 서버에 전달하여 저장관리될 수 있도록 하거나, 기상청 서버 및 각종포털 서버에 접근해서 기상데이터를 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 시스템 및 그 방법은 실시간 기상관측을 통해 종래 라디오존데를 보완하고 다양한 기상정보를 관측할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 시스템 및 그 방법은 기압, 온도, 습도, 풍향, 풍속 등의 기상현상을 고도별로 실시간으로 정확하게 관측하여 대기경계층 연구에 활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 시스템,
도 2는 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 시스템의 상세 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 시스템의 데이터 로거의 상제 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 시스템의 기상관측 장비가 무인기의 상부 또는 하부에 탑재된 상태를 도시한 도면,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 시스템의 사용자 단말기에 표시되는 화면을 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 시스템의 일인칭 관찰자뷰 영상에 대한 캡쳐도면,
도 9는 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 방법의 흐름도,
도 10은 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 방법에서 무인기의 이륙을 준비하는 단계의 상세 흐름도, 및
도 11은 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 방법에서 무인기의 비행상태 정상여부를 확인하는 단계의 상세 흐름도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가 장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 시스템은 무인기(100), 기상관측 장비(200), 사용자 단말기(300), 항법관제 서버(400), 인공위성(500), 및 빅데이터 서버(600)를 포함한다.
상기 무인기(100)는 상부에 구비되고, 상단에 기상관측 장비(200)가 배치되는 기둥(101)이 형성될 수 있다. 여기서, 기상관측 장비(200)는 무인기(100) 상부에 형성된 기둥(101)의 상단에 결합되어 기상관측을 보더 정밀하게 할 수 있고, 무인기(100)의 비행시 발생하는 기류에 의한 기상관측 오류를 방지할 수 있다.
상기 무인기(100)는 무인기 송수신모듈(110), 무인기 D-GPS(120), 무인기 제어부(130), 구동부(140), FPV 카메라(150), 비상 조종신호 수신부(160), 관성 측정부(170), 항공등(180), 및 낙하산(190)을 포함하여, 지상 100~3000m 사이에서 형성되는 대기경계층(PBL:Planetaty Boundary Layer)에 해당되는 2500m 상공을 비행한다.
삭제
보다 구체적으로, 상기 무인기(100)는 회전인 비행체로 아래와 같은 특성을 가지고 있다.
구분 특성 구분 특성

구조
및
형상
 - 형식 : 회전익 비행체
- 모델 : Hexacopter, 17"/1000급
- 전장 : 1,075mm
- 전고 : 254mm
- 재질 : 카본(자체개발)

동력
- 전원 : Li-Po 20,000mA Battery
- 모터 : BLDC Motor
- ESC : 30A(자체개발)

중량
 - 이륙 최대중량 : 12kg이하
- 기체무게 : 7kg
- 이륙하중 : 10kg
통신
 - 리모트 컨트롤 : LTE-A/RE-UFC
- 텔레메트로 : LTE-A
- FPV 영상 : LTE-A


성능

 - 비행시간 : 30분 내외
- 운용풍속 : 10m/s 이하
- 최대속도 : 80km/h 이하
- 운용반경 : 전국
- 비행고도 : 1km

제어
- 비행제어장치, FCC(자체개발)
- 자체개발 프로토콜(MAVLink 호환)
- 조종기(안드로이드기반 자체개발)
환경
 - 운용온도 : -20 ~ 40℃
- 습도 : 95% 이하		 IP
 - Hardware, Software, Design
- PCB, ESC
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 무인기(100)에 탑재된 기상관측장비(200)는 상기 대기경계층의 온도, 습도, 기압, 풍향, 풍속, 및 미세먼지 등을 관측한다.
보다 구체적으로, 상기 기상관측 장비(200)는 온·습도센서(220), 기압센서(230), 풍향·풍속계(240), 데이터로거(250), 영상 촬영부(260)가 포함되어 있다.
상기 온·습도센서(220)는 지상온도를 기준으로 고도의 변화에 따른 온도를 아래의 수학식을 이용해 온도를 측정한다.
Figure 112017040365943-pat00001
[T0:지상온도(℃), h:고도(m)]
한편, 온·습도센서(220)는 공기 1m3 중에 포함된 수증기의 양(g)을 수치 데이터로 추출하여 습도를 측정한다.
특히, 상기 온·습도센서(220)는 직사광선 영향에 의한 온도, 습도 계측오류를 최소화하기 위해 백상엽 케이스 내에 장착되는 것이 바람직하고, 또한 프로펠러 회전에 의해 발생하는 비행체 상면의 유도기류가 미치지 않도록 프로펠러로부터 프로펠러 길이만큼 이격된 위치에 설치되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 기압센서(230)는 지상대기압을 기준으로 고도의 변화에 따라 아래의 수학식을 이용해 측정한다.
Figure 112017040365943-pat00002
[P0:지상대기압, h:고도(m)]
이때, 상기 기압센서(230)는 프로펠러 회전에 의한 압력파 영향으로 기압 계측오류를 최소화하기 위해 무인기 기체에서 프로펠러로부터 프로펠러 길이만큼 벗어난(이격된) 위치에 설치되는 백상엽 케이스 내부에 장착되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 풍향·풍속계(240)는 X, Y, Z방향 풍향을 측정하는 3차원 초음파 풍향·풍속계 및 X, Y 방향 풍향을 측정하는 음향 공진형 2차원 풍향·풍속계로 구성되어 풍향을 측정하고 아래의 수학식을 이용해 풍속을 측정한다.
또한, 상기 풍향·풍속계(240)는 상기 3차원 초음파 풍향·풍속계, 및 2차원 초음파 풍향·풍속계뿐만 아니라, 상기 무인기(100) 기체의 수평, 수직 이동량, 흔들림 및 풍향, 풍속의 계측오류를 제거하기 위한 방안으로 3배식 풍향·풍속계, 피토관 등 다양한 풍향·풍속계의 조합과 D-GPS의 측위센서의 센서퓨징 및 칼만필터를 통해 풍향·풍속값을 최적화할 수도 있다.
상기 풍향·풍속계(240)는 계측원리에 따라 환경영향을 받으며, 센서 종류에 따라 상이한 계측오류가 발생하기 때문에 상술한 바와 같이 다양한 방식의 센서를 조합하여 오류를 상호보상하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 3차원 초음파 풍향·풍속계는 공기밀도에 영향을 받고 공기밀도는 온도에 의해 변하는 반면 3배식 풍향·풍속계는 온도에 영향을 받지 않기 때문에 다양한 방식의 센서를 다종 조합하여 오류를 상호보상하는 것이 바람직하다.
Figure 112017040365943-pat00003
[U1:지상횡풍속, U2:측정고도횡풍속, H1: 측정고도, H2: 고도, p:안정상태(1/3), 불안전상태(1/9)]
이때, 상기 기상관측 장비(200) 특히, 상기 풍향·풍속계(240)는 블레이드 회전에 의한 유도기류 영향으로 풍향·풍속 계측오류를 최소화하기 위해, 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 상기 무인기(100)의 몸체 상부에 형성된 기둥(101)의 상단에 구비되거나, 또는 도 4(b)d에 도시된 바와 같이, 상기 무인기(100)의 몸체 하부에 케이블(테더드 방식)로 매달려 하부로 형성될 수 있다.
특히, 상기 무인기(100)의 몸체 하부에 매달려 형성되는 경우, 상기 풍향·풍속계(240)는 상기 무인기(100)의 몸체에 구비된 모터와 케이블로 연결되어 상기 모터의 구동에 따라 상기 케이블을 풀고 감음으로써, 상기 케이블로 연결된 상태로 상기 무인기(100)에 결합되거나 분리된다.
즉, 상기 풍향·풍속계(240)는 상기 무인기(100)가 상기 대기경계층에 이동하는 동안 상기 무인기(100)에 결합되어 있고, 상기 무인기(100)가 상기 대기경계층에 도달하여 기상관측을 시작하는 경우 상기 모터가 구동하여 케이블을 풀어 상기 무인기(100)와 소정거리만큼 분리되어 기상관측을 시작한다.
이때, 상기 풍향·풍속계(240)는 흔들림으로 인해 부정확한 풍향 및 풍속이 관측되지 않도록, 상기 무인기(100)가 정지비행한 상태에서 상기 모터가 구동되어 상기 무인기(100)와 소정거리만큼 분리되는 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 바와 같이 상기 기상관측 장비(200)에 포함된 상기 데이터 로거(250)는 상기 센서들이 측정한 기상관측 데이터를 수신하여 메모리부(252)에 저장하고, 통신부(255)를 통해 실시간으로 무선전송 한다.
보다 구체적으로, 상기 데이터 로거(250)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(251), 메모리부(252), 아날로그 입력부(253), 디지털 입력부(254), 및 통신부(255)로 구성되며, 상술한 센서들과 연결되어 상기 아날로그 입력부(253), 및/또는 상기 디지털 입력부(254)로 입력되는 대기(풍향, 풍속, 온도, 습도, 및 기압)데이터를 입력받아 상기 메모리부(252)에 저장한다.
이때, 상기 데이터 로거(250)의 제어부(251)는 대기 데이터를 Binary로 압축하여 전송하고, 해당 데이터의 손실위험을 제거하기 위하여 1초 단위로 상기 메모리부(252)에 저장하는 것이 바람직하다.
이후, 상기 데이터 로거(250)는 상기 풍향, 풍속, 온도, 습도, 및 기압 데이터를 상기 통신부(255)를 통해 상기 무인기(100)에 형성된 무인기 송수신모듈(110) 전달한다.
상기 무인기 송수신모듈(110)은 전달받은 상기 풍향, 풍속, 온도, 습도, 및 기압 데이터를 상기 사용자 단말기(300)로 송신한다.
이때, 상기 사용자 단말기(300)는 내장된 사용자 단말기 송수신모듈(310)을 통해 상기 풍향, 풍속, 온도, 습도, 및 기압 데이터와 같은 기상 계측정보를 수신한다.
참고로, 상기 무인기 송수신모듈(110)과 상기 단말기 송수신모듈(310)은 극초단파 원격자료 송수신 모뎀(UHF<Ultra High Frequency> Telemetry Modem)인 것이 바람직하다.
상기 무인기 D-GPS(120)는 상공의 상기 인공위성(500)으로부터 위성신호를 수신하여 위치에 대한 오차 보정을 하면, 상기 무인기 제어부(130)는 보정된 위치정보를 가지고 상기 무인기(100)의 위치 정확도를 0.5m 이내로 제어한다.
즉, 상기 무인기 제어부(130)는 지상의 사용자 단말기(300)에서 전달되는 기상관측이 요구되는 대기경계층의 특정위치를 수신한 후, 프로펠러(141), 모터(142), 자세제어부(143), 전원부(144)로 구성된 상기 구동부(140)를 제어하여 해당 특정위치로 상기 무인기(100)가 이동하도록 제어한다.
상기 영상 촬영부(260)는 HD급의 EO 영상카메라 및/또는 SD급의 IR 영상카메라로 구성되어 각각을 별도로 탈·장착 가능한 구성으로서, 상기 무인기(100)가 비행중인 상공을 촬영하여 현재 상공의 구름, 안개, 미세먼지 상태로 기상현상을 파악할 수 있는 영상을 상기 사용자 단말기(300)에 제공한다.
상기 기상관측 장비(200)는 상공의 미세먼지를 포집하고 측정하는 미세먼지 측정부(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 기상관측 장비(200)를 구성하는 온도센서(210), 습도센서(220), 기압센서(230), 풍향·풍속계(240), 및 영상 촬영부(260)의 특성을 요약 정리하면 도 5에 도시된 바와 같다.
한편, 사용자 단말기(300)는 단말기 송수신모듈(310), 디스플레이부(320), 비상 조종신호 송신부(330), 단말기 D-GPS모듈(340), 및 단말기 제어부(350)를 포함하고, 상기 무인기(100)를 조종하기 위한 단말기로 사용되며, 핸드폰, 노트북, 태블릿PC 등이 해당 될 수 있다.
상기 단말기 송수신모듈(310)은 상기 무인기(100)와 상기 기상관측 장비(200)에 각각 비행 제어신호와 기상관측 제어신호를 송신하고, 상기 기상관측 장비(200)에서 계측한 계측정보를 수신하며, 수신한 기상 계측정보를 상기 빅데이터 서버(600)로 전송하기도 한다.
이때, 상기 사용자 단말기(300)는 LTE급 인터넷 통신망을 통해서도 기상 계측정보를 상기 빅데이터 서버(600)로 전송할 수 있다.
상기 디스플레이부(320)는 상기 주제어부(350)가 비행제어 및 계측운영 프로그램을 실행함에 따라 도 6에 도시된 바와 같이, 비행제어 및 계측운영 프로그램 실행화면을 디스플레이한다.
보다 구체적으로, 상기 디스플레이부(320)에 표시되는 비행제어 및 계측운영 프로그램 실행화면은 상단에 계측비행 탭(321), 항법서비스 탭(322), 계측관리 탭(323), 및 설정 탭(324)이 디스플레이된다.
먼저, 도 6에 도시된 바와 같이 계측비행 탭(321)이 터치되는 경우, 상기 디스플레이부(320)는 비행현황 표시부, 계측현황 표시부, 비행시작, 자동/수동비행 전환, 비행중지, 계측시작, 및 계측중지 탭을 디스플레이하고, 도 7a에 도시된 바와 같이, 상기 항법서비스 탭(322)이 터치되는 경우, 레이더, 위성, 지역예보모델(RDAPS), 일기도, 기온, 기압, 습도, 강우, 풍향, 풍속 지자기 정보를 알 수 있는 탭을 디스플레이하며, 도 7b에 도시된 바와 같이 상기 계측관리 탭(323)을 터치하는 경우 상기 기상관측 장비(200)에서 계측한 계측정보 및 상기 빅데이터 서버(600)와 연동하여 다양한 그래프 형태로 디스플레이한다.
또한, 도 7c에 도시된 바와 같이 상기 설정 탭(324)을 터치되는 경우 상기 디스플레이부(320)는 비행스케쥴/ 지오펜싱(Geofencing) 설정, 비행체 상태, 계측장비 설정, 시스템 설정을 할 수 있는 화면을 디스플레이한다.
상기 계측비행 탭(321)이 터치되는 경우에 대하여 보다 구체적으로 설명하면, 상기 디스플레이부(320)는 도 6에 도시된 바와 같이 비행현황 표시부와 계측현황 표시부 및 터치 방식의 각종 실행탭으로 구성되어, 상기 FPV 카메라(150)가 상기 무인기(100)의 비행하는 방향을 실시간으로 촬영하면, 촬영된 영상을 수신하여 사용자가 일인칭 관찰자뷰로 볼 수 있도록 비행현황 표시부에 디스플레이한다.
즉, 상기 사용자 단말기(300)의 디스플레이부(320)는 상기 주제어부(350)가 비행제어 및 계측운영 프로그램을 실행함에 따라 도 6에 도시된 것처럼, 비행상태를 알수 있게 복수의 영상화면으로 분할하여 표시하고, 그 중 하나의 영상화면에 상기 FPV 카메라(150)가 촬영한 일인칭 관찰자뷰를 디스플레이한다.
상기 디스플레이부(320)에 디스플레이되는 일인칭 관찰자뷰 영상은 도 8에 보다 상세하게 도시되어 있다.
상술한 바와 같이 디스플레이부(320)에 의해 디스플레이되는 촬영 영상을 사용자가 직접 보면서 조종을 위한 입력을 비행제어 및 계측운영 프로그램 실행화면의 실행탭을 터치 방식 등을 통해 전달하면, 상기 사용자 단말기(300)는 해당 입력신호를 수신하여 상기 무인기(100)의 조종이 이루어질 수 있다.
상기 FPV 카메라(150)가 촬영하여 표시하는 일인칭 관찰자뷰 영상은 아날로그 방식이기 때문에 영상품질이 다소 낮지만 장거리 전송이 가능하고, 비행영상을 실시간으로 확인할 수 있으며, 무인기(100)에 장애가 발생하는 경우 해당 무인기를 안전하게 비행 및 착륙시키는데 도움을 줄 수 있다.
상기 비상 조종신호 송신부(330)는 상기 터치 방식 또는 조이스틱 방식으로 입력되는 조종신호를 상기 무인기(100)의 비상 조종신호 수신부(160)로 송신한다.
상기 단말기 D-GPS모듈(340)은 사용자 단말기(300)에 내장되어 상공의 상기 인공위성(500)으로부터 위치에 대한 위성신호를 수신하여 오차 보정을 통해 사용자의 위치, 즉 사용자 단말기(300)의 정확한 위치를 계산한다.
상기 주제어부(350)는 비행제어 및 계측운영 프로그램을 실행하여 상기 단말기 송수신모듈(310)을 통해 상기 무인기 송수신모듈(110)에 상기 무인기(100)의 비행제어신호와 상기 기상관측 장비(200)에 의한 계측명령 신호를 전달한다.
보다 구체적으로, 상기 주제어부(350)가 비행제어 및 계측운영 프로그램을 실행하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 사용자 단말기(300)는 디스플레이부(320)에 비행제어 및 계측운영을 위한 화면을 디스플레이한다.
언급한 바와 같이, 상기 주제어부(350)가 비행제어 및 계측운영 프로그램을 실행하면, 상기 디스플레이부(320)는 비행현황 표시부와 계측현황 표시부 및 터치 방식의 각종 실행탭(비행시작, 계측비행, 자동/수동비행전환, 비행중지)을 디스플레이하는데, 이때 해당 실행탭이 터치됨에 따라 상기 무인기(100)는 비행을 시작하고, 계측비행 수행하고, 자동/수동비행으로 전환하며, 비행을 중지한다.
또한, 상기 디스플레이부(320)에 디스플레이되는 계측시작 탭을 터치한 경우 상기 계측현황 표시부는 X-Y 그래프, Rose 그래프 등과 같은 계측상태 뷰를 표시하고, 계측중지 탭을 터치함에 따라 상기 기상관측 장비(200)는 계측을 중지한다.
상기 사용자 단말기(300)와 인터넷 통신망으로 연결되어 있는 상기 항법관제 서버(400)는 기상현황정보DB(410), 항로관제정보DB(420), 및 비행이력관리DB(430)를 포함하여, 상기 무인기(100)가 안전한 비행 임무를 수행하는데 필요한 기상, 및 항로정보와 같은 항공관제 정보를 수집하여 상기 항로관제정보DB(420)에 저장관리하고, 수집한 항공관제 정보를 실시간 또는 미리 상기 사용자 단말기(300)에 제공하여, 상기 사용자 단말기(300)가 해당 항공관제 정보를 반영함으로써 상기 무인기(100)의 비행이 안전하게 이루어질 수 있도록 제어한다.
또한, 상기 기상현황정보DB(410)는 극저온, 횡풍속, 강우, 하강기류와 같은 기상현황 정보를 저장관리하면서, 상기 사용자 단말기(300)에 제공함으로써, 상기 무인기(300)의 비행가능 여부 판단할 수 있도록 한다.
예를 들어, 상기 사용자 단말기(300)는 -20℃보다 낮은 극저온인 경우 상기 무인기(300)의 배터리 효율저하로 인한 추력감소, 및 기기 오작동 문제발생이 가능한 것으로 판단하고, 상기 횡풍속이 50m/s를 넘을 경우 상기 무인기(300)가 전도후 추락위험 및 진동에 의한 계측 정확도가 저하되는 것으로 판단하고, 낮은 구름을 통과하는 경우 강수 및 착빙에 의해 상기 무인기(300)의 비행성능이 저하되고, 빙우에 의해 프로펠러와 비행체에 손상이 있을 수 있는 것으로 판단하며, 고기압에 의하나 하강기류가 있는 경우 상기 무인기(300)의 비행성능이 저하될 수 있는 것으로 판단한다.
상기 비행이력관리DB(430)는 상기 무인기(100)가 비행한 경로, 해당 경로로 비행하면서 발생했던 특이사항들 예를 들어, 특정고도에서는 어떤 기류가 발생하고, 또 어느 고도에서부터 자동 또는 수동이 바람직한지와 같은 비행이력을 누적하여 저장관리하면서 상기 무인기(100)의 현재 비행에 반영될 수 있도록 한다.
상기 사용자 단말기(300)는 실시간 또는 미리 제공받은 항로정보 등을 상기 무인기(100)에 전달하여 해당 항로로 자동 또는 수동비행이 이루어질 수 있도록 한다.
상기 인공위성(500)은 위도, 경도, 고도, 시간, 속도, 방위정보를 상기 무인기(100), 및/또는 사용자 단말기(300)에 제공하여 해당 기기들의 제어부에서 이들 기기의 정확한 위치정보를 산출할 수 있도록 한다.
상기 빅데이터 서버(600)는 계측자료관리DB(610), 지자기현황DB(620), 오픈API(Open Application Programmer Interface:630), 빅데이터 플랫폼(640)을 포함하여, 상기 사용자 단말기(300)가 수신한 상공의 풍향, 풍속, 온도, 습도, 및 기압 등과 같은 계측된 기상데이터를 전달받아 상기 계측자료관리DB(610)에 저장관리하고, 경우에 따라 빅데이터 플랫폼(640)을 통해 연결된 기상청 서버, 또는 각종 포털서버 등에 해당 기상데이터를 제공한다.
상기 오픈API(640)는 비행제어 및 계측운영 프로그램을 저장관리하면서, 상기 빅데이터 서버(600)에 접속한 사용자 단말기(300)에 상기 비행제어 및 계측운영 프로그램을 제공하고, 해당 프로그램의 업데이트된 사항 전달한다.
이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 무인기를 이용한 기상관측 시스템에 의한 기상계측을 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 사용자 단말기(300)는 설치된 비행제어 및 계측운영 프로그램설치하고, 항로정보를 수신하여 상기 무인기(300)에 의한 기상관측 비행을 위한 무이기 이륙을 준비하는 단계를 수행한다(S100).
상기 무인기 이륙 준비단계에 대해서 도 10을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 상기 사용자 단말기(300)는 빅데이터 서버(600)에 접속하여 비행제어 및 계측운영 프로그램을 저장관리하는 오픈API(340)에서 비행제어 및 계측운영 프로그램을 다운받아 설치하는 단계를 수행한다(S110).
이후, 상기 사용자 단말기(300)는 설치된 비행제어 및 계측운영 프로그램을 실행하는 단계를 수행한다(S120).
상기 S120단계에서 상기 비행제어 및 계측운영 프로그램이 실행됨에 따라 상기 사용자 단말기(300)의 디스플레이부(320)는 비행제어 및 계측운영 프로그램 실행화면을 디스플레이하는 단계를 수행한다(S130).
상기 사용자 단말기(300)는 항법관제 서버(400)에 접속하여 기상/항로정보를 요청하여 수신하는 단계를 수행한다(S140).
상기 사용자 단말기(300)의 단말기 송수신모듈(310)과 상기 무인기(100)의 무인기 송수신모듈(110)과 통신을 시작하고, 상기 사용자 단말기(300)의 제어를 받은 상기 무인기(100)는 인공위성(500)으로부터 위도와 경도정보를 포함하는 위성신호를 수신하고 무인기 D-GPS(120)가 상기 위성신호를 가지고 위치에 대한 오차 보정을 통해 실제위치와 0.5m 이내의 정확한 위치를 산출하면, 상기 사용자 단말기(300)는 산출된 상기 무인기(100) 위치를 수신하여 해당 무인기(300)의 위치를 확인하는 단계를 수행한다(S150).
상기 무인기(100)의 위치를 확인함으로써 상기 사용자 단말기(300)에서 비행하는 동안 상기 무인기(100)의 상대적인 위치를 지속적으로 확인할 수 있다.
이후, 기상관측 비행을 위한 무이기의 이륙준비가 완료되면, 상기 사용자 단말기(300)는 무인기의 비행상태 정상여부를 확인하는 단계를 수행한다(S200).
상기 무인기 비행상태 정상여부 확인단계에 대해서 도 11을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 상기 무인기(100)는 디스플레이된 비행제어 및 계측운영 프로그램 실행화면의 비행시작 버튼이 터치 됨에 따라 상기 사용자 단말기(300)로부터 비행시작 신호를 전달받아 이륙을 시작하는 단계를 수행한다(S210).
상기 무인기(100)가 이륙하여 비행이 시작되면, 무인기 제어부(130)는 무인기(100)의 비행상태를 확인하고 비행상태정보를 상기 사용자 단말기(300)에 전달하는 단계를 수행한다(S220).
상기 사용자 단말기(300)는 비행상태정보를 통해 상기 무인기(100)의 비행상태가 정상인지 여부를 판단하는 단계를 수행한다(S230).
이때, 상기 사용자 단말기(300)는 기저장된 정상적인 비행일 때의 비행상태정보와 상기 무인기(100)에서 전달받은 비행상태정보를 비교하여 정상여부를 판단한다.
상기 S200단계에서 상기 무인기(100)의 비행상태가 정상인 경우, 상기 사용자 단말기(300)는 항법관제 서버(400)에서 수신한 항로정보를 상기 무인기(100)에 제공하여, 상기 무인기(100)를 2500m 상공의 대기경계층(PBL:Planetaty Boundary Layer)으로 이동시키는 단계를 수행한다(S300).
반면, 상기 S200단계에서 상기 무인기(100)의 비행상태가 비정상인 경우 상기 사용자 단말기(300)는 상기 무인기(100)의 비정상이유 파악과 점검을 위해 상기 무인기(100)를 착륙시키는 단계를 수행한다.
상기 무인기(100)가 상기 대기경계층으로 이동하여 기상관측이 필요한 위치에 진입하면, 상기 사용자 단말기(300)의 계측시작 버튼이 터치 됨에 따라 상기 사용자 단말기(300)로부터 계측시작 신호를 전달받은 상기 무인기(100)는 계측비행을 하고, 상기 기상관측 장비(200)가 기상을 계측하는 단계를 수행한다(S400).
상기 사용자 단말기(300)는 상기 기상관측 장비(200)가 계측한 상기 대기경계층의 온도, 습도, 기압, 풍향, 풍속, 및 미세먼지 기상데이터를 요청하여 실시간으로 수신하는 단계를 수행한다(S500).
상기 사용자 단말기(300)는 수신한 상기 기상데이터를 상기 빅데이터 서버(600)에 전달하여 저장관리될 수 있도록 하거나, 직접 기상청 서버 및 각종포털 서버에 접근해서 기상데이터를 제공하는 단계를 수행한다(S600).
상기 기상데이터의 획득이 완료되면, 상기 기상관측 장비(200)에 의한 계측을 중지시키고, 상기 무인기(100)의 비행을 중지시키는 단계를 수행한다(S700).
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 무인기
110 : 무인기 송수신모듈 120 : 무인기 D-GPS
130 : 무인기 제어부 140 : 구동부
141 : 프로펠러 142 : 모터
143 : 자세제어부 144 : 전원부
150 : FPV 카메라 160 : 비상 조종신호 수신부
170 : 관성 측정부 180 : 항공등
190 : 낙하산 200 : 기상관측 장비
220 : 온·습도센서
230 : 기압센서 240 : 풍향·풍속계
250 : 데이터로거 251 : 제어부
252 : 메모리부 253 : 아날로그 입력부
254 : 디지털 입력부 255 : 통신부
260 : 영상 촬영부 300 : 사용자 단말기
310 : 단말기 송수신모듈 320 : 디스플레이부
321 : 계측비행 탭 322 : 항법서비스 탭
323 : 계측관리 탭 324 : 설정 탭
330 : 비상 조종신호 송신부 340 : 단말기 D-GPS모듈
350 : 단말기 제어부
400 : 항법관제 서버
410 : 기상현황정보DB 420 : 항로관제정보DB
430 : 비행이력관리DB
500 : 인공위성
600 : 빅데이터 서버
610 : 계측자료관리DB 620 : 지자기현황DB
630 : 오픈API(Open Application Programmer Interface)
640 : 빅데이터 플랫폼

Claims (12)

  1. 무인기(100);
    상기 무인기(100)에 탑재되어 기상데이터를 계측하는 기상관측 장비(200);
    상기 무인기(100) 및 기상관측 장비(200)를 제어하고 상기 기상데이터를 수신하는 사용자 단말기(300);
    통신망으로 연결된 상기 사용자 단말기(300)에 기상정보, 항로정보, 비행 이력정보를 제공하는 항법관제 서버(400);
    위치정보를 산출할 수 있도록 상기 무인기(100) 및 상기 사용자 단말기(300)에 방위정보를 전달하는 인공위성(500);
    상기 사용자 단말기(300)가 수신한 상기 기상데이터를 수신하여 저장관리하는 빅데이터 서버(600);를 포함하되,
    상기 무인기(100)는
    상기 인공위성(500)에서 전달되는 방위정보를 수신하여 위치에 대한 오차를 보정하여 위치정보를 산출하는 무인기 D-GPS(120); 및
    상부에 구비되고, 상단에 기상관측 장비(200)가 배치되는 기둥(101);을 포함하고,
    상기 기상관측 장비(200)는
    계측원리가 상이한 복수의 센서로 구성되어 상이한 원리로 풍향·풍속 값을 측정하고 이들 값을 조합하여 오류를 상호보상하여 최종 풍향·풍속 값을 계측하는 풍향·풍속계(240);를 포함하되,
    상기 무인기(100)는
    상기 사용자 단말기(300)에서 전달되는 상기 무인기(100) 및 기상관측 장비(200) 제어신호를 수신하고, 상기 기상데이터를 상기 사용자 단말기(300)로 전달하기 위한 무인기 송수신모듈(110);
    프로펠러(141), 모터(142), 자세제어부(143), 전원부(144)로 구성되는 구동부(140);
    상기 구동부(140)를 제어하여 상기 무인기 D-GPS(120)가 산출한 위치정보대로 상기 무인기(100)를 제어하는 무인기 제어부(130);
    상기 무인기(100)의 비행하는 방향을 실시간으로 촬영하여 일인칭 관찰자뷰를 제공하는 FPV 카메라(150); 및
    비상상황발생시 비상비행을 위한 제어신호를 수신하는 비상 조종신호 수신부(160);를 포함하고,
    상기 기상관측 장비(200)는
    지상온도를 기준으로 고도의 변화에 따른 온도와 습도를 계측하는 온·습도센서(220);
    지상대기압을 기준으로 고도변화에 따른 기압을 계측하는 기압센서(230);
    상기 온·습도센서(220), 상기 기압센서(230), 및 상기 풍향·풍속계(240)의 센서들과 연결되어 계측된 온도, 습도, 기압, 풍향, 풍속 값을 수신하여 압축저장하고 무선전송하는 데이터로거(250);
    상기 무인기(100)가 비행중인 상공을 촬영하여 기상현상을 파악할 수 있는 기상영상을 상기 사용자 단말기(300)에 제공하는 영상 촬영부(260);을 포함하며,
    상기 항법관제 서버(400)는
    상기 무인기(100)의 비행가능 여부를 판단할 수 있는 극저온, 횡풍속, 강우, 하강기류를 포함하는 기상현황 정보를 저장관리하는 기상현황 정보DB(410);
    상기 무인기(100)가 비행 임무를 수행하는데 필요한 기상 및 항로정보를 수집하여 제공하는 항로관제 정보DB(420); 및
    상기 무인기(100)의 비행에 반영될 수 있도록 과거 비행이력을 누적관리하는 비행이력관리DB(430);를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인기를 이용한 기상관측 시스템.
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  4. 제 1항에 있어서,
    상기 사용자 단말기(300)는
    상기 무인기(100)와 상기 기상관측 장비(200)에 각각 비행 제어신호와 기상계측 제어신호를 송신하고, 상기 기상관측 장비(200)에서 계측한 기상데이터를 수신하는 단말기 송수신모듈(310);
    계측비행 탭(321), 항법서비스 탭(322), 계측관리 탭(323), 및 설정 탭(324)으로 구성된 비행제어 및 계측운영 프로그램 실행화면을 디스플레이하는 디스플레이부(320);
    상기 무인기(100)에 비상상황이 발생시 비상비행을 위한 비상 조종신호를 상기 비상 조종신호 수신부(160)에 전달하는 상기 비상 조종신호 송신부(330):
    상기 인공위성(500)으로부터 위치에 대한 위성신호를 수신하여 오차 보정을 통해 상기 사용자 단말기(300)의 위치를 계산하는 단말기 D-GPS모듈(340): 및
    상기 비행제어 및 계측운영 프로그램을 실행하여 상기 단말기 송수신모듈(310)을 통해 비행 제어신호와 기상계측 제어신호를 전달하도록 하는 주제어부(350);를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인기를 이용한 기상관측 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 디스플레이부(320)는
    상기 계측비행 탭(321)이 터치되는 경우, 비행현황 표시부, 계측현황 표시부, 비행시작, 자동/수동비행 전환, 비행중지, 계측시작, 및 계측중지 탭을 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 무인기를 이용한 기상관측 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 디스플레이부(320)는
    상기 FPV 카메라(150)가 상기 무인기(100)의 비행하는 방향을 실시간으로 촬영하면, 촬영된 영상을 수신하여 일인칭 관찰자뷰로 비행현황 표시부에 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 무인기를 이용한 기상관측 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 온·습도센서(220) 및 상기 기압센서(230)는
    백상엽 케이스 내에 장착되되, 상기 프로펠러(141)로부터 상기 프로펠러(141) 길이만큼 이격된 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 무인기를 이용한 기상관측 시스템.

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