KR102156253B1 - 복수의 무인 비행체에 각각 장착된 합성 개구 레이더를 이용한 정밀 고도 정보 추정 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 실시예들은 복수의 무인 비행체에 각각 장착된 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)를 이용하여 고도 영상의 정밀도에 따라 설정된 합성 개구 레이더 간의 기선 거리에 따라 복수의 무인 비행체의 비행을 제어하여, 지표면에 대한 정밀 고도 영상을 추정할 수 있는 정밀 고도 정보 추정 시스템 및 방법을 제공한다.

Description

복수의 무인 비행체에 각각 장착된 합성 개구 레이더를 이용한 정밀 고도 정보 추정 방법 및 시스템 {Method and system for estimating precise altitude information using SAR mounted on multi unmanned aerial vehicles}
본 발명이 속하는 기술 분야는 복수의 무인 비행체에 각각 장착된 합성 개구 레이더를 이용한 정밀 고도 정보 추정 방법 및 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, 이하 SAR)는 일반적으로 비행기 또는 인공 위성 등에 탑재되어 이동하는 동안, 여러 차례 지표로 빔을 방사하고 반사되어 수신된 신호에서 감지되는 도플러 주파수의 상대적 변화 특성을 이용하여 지표의 고분해능 정밀 이미지를 획득할 수 있는 레이더를 의미한다.
SAR은 극초단파 영역의 초고주파를 활용하기 때문에 아지랑이, 가랑비, 눈, 구름, 연기 등의 기후 환경에 영향을 받지 않고, 육상 지형이나 바다를 관측할 수 있으며, 스스로 관측에 사용하는 에너지원을 전파하는 능동시스템이기 때문에 밤과 낮에 상관없이 이미지를 얻을 수 있다.
현재 SAR은 하나의 비행기 또는 인공 위성 등에 탑재되어 이용되므로, 안테나 사이의 거리 조정에 많은 제약 사항이 있는 문제가 있다.
김덕진 et al. "차세대 SAR 활용을 위한 이중 채널 항공기 SAR 시스템 구축 및 간섭기법 연구 ", 전자파학회지 제25권 제2호, 2014년3 월.
본 발명의 실시예들은 복수의 무인 비행체에 각각 장착된 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)를 이용하여 고도 영상의 정밀도에 따라 설정된 합성 개구 레이더 간의 기선 거리에 따라 복수의 무인 비행체의 비행을 제어하여, 지표면에 대한 정밀 고도 영상을 추정하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 복수의 무인 비행체에 각각 장착된 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)를 이용한 정밀 고도 정보 추정 방법에 있어서, 고도 영상의 정밀도에 따라 제1 무인 비행체의 제1 합성 개구 레이더 및 제2 무인 비행체의 제2 합성 개구 레이더 간의 기선 거리를 설정하는 단계; 상기 기선 거리를 이용하여 제1 합성 개구 레이더가 장착된 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 합성 개구 레이더가 장착된 상기 제2 무인 비행체를 제어하는 단계; 및 상기 제1 합성 개구 레이더를 통해 획득한 제1 SAR 영상 및 상기 제2 합성 개구 레이더를 통해 획득한 제2 SAR 영상으로부터 위상차를 산출하는 SAR 간섭 기법을 통해 상기 고도 영상을 출력하는 단계를 포함하는 정밀 고도 정보 추정 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 제1 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)가 장착되며 제1 SAR 영상을 생성하는 제1 무인 비행체; 제2 합성 개구 레이더가 장착되며 제2 SAR 영상을 생성하는 제2 무인 비행체; 및 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체와 통신하며, 상기 제1 SAR 영상과 상기 제2 SAR 영상 간의 위상차를 산출하는 SAR 간섭 기법을 통해 고도 영상을 생성하는 고도 정보 추정 장치를 포함하며, 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체는 상기 고도 영상의 정밀도에 따라 설정된 상기 제1 합성 개구 레이더 및 상기 제2 합성 개구 레이더 간의 기선 거리에 따라 비행하는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 정보 추정 시스템을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 복수의 무인 비행체에 각각 장착된 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)를 이용하여 고도 영상의 정밀도에 따라 설정된 합성 개구 레이더 간의 기선 거리에 따라 복수의 무인 비행체의 비행을 제어하여, 기선 거리를 자유자재로 조절할 수 있는 효과가 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 고도 정보 추정 시스템을 예시한 도면이다.
도 3은 발명의 다른 실시예에 따른 정밀 고도 정보 추정 방법을 예시한 흐름도이다.
도 4는 발명의 일 실시예에 따른 정밀 고도 정보 추정 시스템의 간섭기법을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 고도 정보 추정 시스템의 단일 기준 트랙에 대한 움직임 보상을 나타내는 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 고도 정보 추정 시스템의 간섭기법을 위한 SAR 모션 보상을 나타내는 예시도이다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
본 발명은 복수의 무인 비행체에 각각 장착된 합성 개구 레이더를 이용한 정밀 고도 정보 추정 방법 및 시스템에 관한 것이다.
합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, 이하 SAR)는 일반적으로 비행기 또는 인공 위성 등에 탑재되어 이동하는 동안, 여러 차례 지표로 빔을 방사하고 반사되어 수신된 신호에서 감지되는 도플러 주파수의 상대적 변화 특성을 이용하여 지표의 고분해능 정밀 이미지를 획득할 수 있는 레이더를 의미한다.
SAR는 극초단파 영역의 초고주파를 활용하기 때문에 아지랑이, 가랑비, 눈, 구름, 연기 등의 기후 환경에 영향을 받지 않고, 육상 지형이나 바다를 관측할 수 있으며, 스스로 관측에 사용하는 에너지원을 전파하는 능동시스템이기 때문에 밤과 낮에 상관없이 이미지를 얻을 수 있다.
무인 비행체는 조종사 없이 무선전파의 유도에 의해서 비행 및 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터 모양의 이동체이다.
기존의 SAR를 이용한 시스템은 단일 편파의 영상만을 획득 가능하였고, 지표 지형 정보를 획득하거나 미세한 변화 탐지를 위해 반복 패스 간섭기법만이 적용 가능하였으므로, 이에 따라 모든 지역이 아닌 일부 지역에서만 간섭기법의 적용이 가능한 유효 영상을 획득하었다.
본 발명은 드론 탑재형 초소형 SAR가 탑재된 2개 이상의 드론을 동시에 운용하여 간섭기법을 적용함에 따라 이동표적의 속도를 추출할 수 있다. 2개 이상의 드론에 각각 SAR를 탑재하여 SAR 간의 기선 거리를 자유자재로 조절할 수 있으며, 정밀 고도 영상을 추출하는 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 정밀 고도 정보 추정 시스템은 동시에 두 개의 SAR에서 수신된 신호를 이용하기 대문에 대기로 인한 오차 요인은 서로 상쇄되어 발생되지 않으며, 두 개의 SAR를 통한 안테나 분리 모드나 편대 비행을 통해 단일 패스 간섭기법을 적용할 수 있다.
SAR 간섭기법에서 2개의 안테나 사이의 거리(Baseline)가 속도정보 추출 시 탐지속도 성능과 밀접한 관련이 있다. 기존 방식은 안테나 사이의 거리 조정에 많은 제약 사항이 있으나, 본 발명의 정밀 고도 정보 추정 시스템은 군집 드론을 이용할 시 안테나 사이의 거리 조정이 자유로워 탐지속도 성능향상에 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 정밀 고도 정보 추정 시스템은 SA정밀 DEM 수치지도 작성 및 방재, 교통감시분야 등에 이용이 가능하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 고도 정보 추정 시스템을 예시한 도면이다.
정밀 고도 정보 추정 시스템(10)은 제1 무인 비행체(100), 제2 무인 비행체(200), 및 고도 정보 추정 장치(300)를 포함한다. 정밀 고도 정보 추정 시스템(10)은 도 2에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다.
제1 무인 비행체(100)는 제1 합성 개구 레이더(110)가 장착되며 제1 SAR 영상을 생성할 수 있다.
제2 무인 비행체(200)는 제2 합성 개구 레이더(210)가 장착되며 제2 SAR 영상을 생성할 수 있다.
제1 합성 개구 레이더(110) 및 제2 합성 개구 레이더(210)는 제1 무인 비행체(100)와 제2 무인 비행체(200) 각각의 하단에 탑재된 것으로 도시하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 무인 비행체(100)와 제2 무인 비행체(200)에 탑재되어 적절한 위치에서 운용될 수 있다.
제1 무인 비행체(100) 및 제2 무인 비행체(200)는 제1 합성 개구 레이더(110) 및 제2 합성 개구 레이더(210) 간의 탐지 속도 범위에 따라 설정된 기선 거리에 따라 비행한다.
고도 정보 추정 장치(300)는 제1 무인 비행체(100) 및 제2 무인 비행체(200)와 통신하며, 제1 SAR 영상과 상기 제2 SAR 영상 간의 위상차를 산출하는 SAR 간섭 기법을 통해 지표면의 고도 영상을 생성할 수 있다.
SAR 간섭기법에서 2개의 안테나 사이의 거리 (Baseline)가 고도정보 추출 시 정밀도와 밀접한 관련이 있다. 기존 방식은 기계적으로 2개의 안테나 사이의 거리를 조정하는 방식이라 제약이 따른 반면에 드론에 장착가능한 소형 SAR 시스템 제작 후 드론의 거리를 조정하는 것은 제약사항이 없기 때문에 운용자가 원하는대로 고도정보 추출이 가능하다.
제1 무인 비행체(100) 및 제2 무인 비행체(200)는 고도 영상의 정밀도에 따라 설정된 제1 합성 개구 레이더(110) 및 제2 합성 개구 레이더(210) 간의 기선 거리에 따라 비행한다.
SAR 간섭 기법은, 복소수 값으로 이루어진 상기 제1 SAR 영상 및 상기 제2 SAR 영상을 이용하여 위상차(Phase Difference)를 구해 지표면 정보를 추출한다. 제1 합성 개구 레이더 및 제2 합성 개구 레이더는 궤도, 시각 또는 파장이 적어도 하나 다르게 설정되어 제1 SAR 영상 및 제2 SAR 영상을 생성한다.
제1 합성 개구 레이더(110)는 전파의 송수신이 모두 가능하도록 할 수 있으며, 제2 합성 개구 레이더(210)는 제1 합성 개구 레이더(110)에서 송신한 전파를 수신만 할 수 있도록 할 수 있다. 또한, 제2 합성 개구 레이더(210)는 전파의 송수신이 모두 가능하도록 할 수 있으며, 제1 합성 개구 레이더(110)는 제2 합성 개구 레이더(210)에서 송신한 전파를 수신만 할 수 있도록 할 수 있다.
지형의 경사도 및 이동하는 물체의 탐지 속도 범위에 따라 최적의 자료 획득이 가능하도록 제1 합성 개구 레이더(110)와 제2 합성 개구 레이더(210) 사이의 거리(기선서리)가 일정 범위 내에 위치하도록 제1 무인 비행체(100) 및 제2 무인 비행체(200)를 제어하여 조절할 수 있다.
제1 무인 비행체(100) 및 제2 무인 비행체(200) 사이의 거리는 미리 설정되어 운용할 수 있고, 운용된 상태에서 설정할 수 있다.
정밀 고도 정보 추정 시스템(10)은 제1 합성 개구 레이더(110)와 제2 합성 개구 레이더(210) 각각에서 획득한 제1 SAR 영상 및 제2 SAR 영상의 기하 보정에 필요한 위치 및 자세 정보 획득을 위해 이중주파수 수신이 가능한 GPS 안테나 및 IMU 장치에 연결할 수 있다. 설치된 제1 무인 비행체(100) 및 제2 무인 비행체(200)에서 IMU 장치의 원점을 기준으로 GPS 안테나까지의 위치 벡터, 제1 합성 개구 레이더(110)와 제2 합성 개구 레이더(210)까지의 위치 벡터 등도 광파기(total station) 및 레이저 거리 측정기를 이용하여 측정될 수 있다.
도 3은 발명의 다른 실시예에 따른 정밀 고도 정보 추정 방법을 예시한 흐름도이다. 정밀 고도 정보 추정 방법은 정밀 고도 정보 추정 시스템을 통해 구현될 수 있다.
복수의 무인 비행체에 각각 장착된 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)를 이용한 정밀 고도 정보 추정 방법은 고도 영상의 정밀도에 따라 제1 무인 비행체의 제1 합성 개구 레이더 및 제2 무인 비행체의 제2 합성 개구 레이더 간의 기선 거리를 설정하는 단계(S10), 기선 거리를 이용하여 제1 합성 개구 레이더가 장착된 제1 무인 비행체 및 제2 합성 개구 레이더가 장착된 제2 무인 비행체를 제어하는 단계(S20), 및 제1 합성 개구 레이더를 통해 획득한 제1 SAR 영상 및 제2 합성 개구 레이더를 통해 획득한 제2 SAR 영상으로부터 위상차를 산출하는 SAR 간섭 기법을 통해 고도 영상을 출력하는 단계(S30)를 포함한다.
기선 거리를 설정하는 단계(S10)는, 고도 영상의 정밀도의 범위를 설정하고, 고도 영상의 정밀도의 범위를 기준으로 제1 무인 비행체와 제2 무인 비행체가 평행하게 비행하면서 지표면을 관측하는 경우에 비행 경로의 차이를 나타내는 기선 거리를 계산할 수 있다.
제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체를 제어하는 단계(S20)는, 고도 영상의 정밀도에 따라 산출된 기선 거리에 해당하는 절대 위치, 상대 위치, 비행 방향, 비행 속도 또는 이들의 조합을 포함하는 비행 명령 신호를 제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체에 전송할 수 있다. 제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체는 비행 명령 신호를 해독하여 비행을 제어한다.
고도 영상을 출력하는 단계(S30)에서 SAR 간섭 기법은 복소수 값으로 이루어진 제1 SAR 영상 및 제2 SAR 영상을 이용하여 위상차(Phase Difference)를 구해 지표면 정보를 추출할 수 있다. 제1 합성 개구 레이더 및 제2 합성 개구 레이더는 궤도, 시각 또는 파장이 적어도 하나 다르게 설정되어 제1 SAR 영상 및 제2 SAR 영상을 생성할 수 있다.
정밀 고도 정보 추정 시스템(10)은 소형 시스템으로써, 중심 주파수가 일정GHz(X-band)를 사용하며, 일정MHz의 밴드 폭을 가진 chrip 신호를 사용하여 패치형 안테나로부터 방사되어 나갈 수 있다. 이때, 최대 방사 전력은 일정dBm일 수 있으며, 비행 고도 및 지표면의 산란 강도에 따라 수신되는 신호를 일정dB 간격으로 조절할 수 있다. 지상 해상도는 일정m로 설정할 수 있으며, 거리 방향으로 고정된 샘플 수로 인해 관측폭은 일정m에서 Km까지 해상도에 따라 달라질 수 있다. 지표면의 고도 산출과 이동하는 물체의 속도 탐지를 위해 동일한 성능을 갖는 패치형 안테나를 추가적으로 연결하여 이중 채널 SAR 시스템이 되도록 구축할 수 있다.
정밀 고도 정보 추정 시스템이 수행하는 동작에 관한 설명은 도 4 내지 도 6을 참고하여 설명한다.
도 4는 발명의 일 실시예에 따른 정밀 고도 정보 추정 시스템의 간섭기법을 예시한 도면이다.
Cross-Track InSAR(XTI)는 DEM을 생성하기 위한 구성으로써 이동하는 방향의 수직된 방향으로 일정한 거리를 두고 SAR 안테나를 배치시켜 간섭 영상을 생성하는 기법이다.
두 개의 SAR 안테나가 이상적으로 평행하게 날아가면서 지표면을 약간 다른 방향에서 관측하게 되는데, 이때 비행경로의 차이는 기선거리(baseline, B)이며, 기선거리의 시선 방향(line-of-sight)에 수직된 성분을 수직기선거리(perpendicular baseline,
Figure 112020068459233-pat00001
라고 한다. 주어진 SAR 안테나의 위치에서 지표 상의 각 지점까지의 거리를 각각 r1과 r2(=r1+△r )라고 할 때, 삼각 측량기법(triangulation)을 통해 고도를 구하는 것이 가능하다. 전통적인 스테레오 기법과의 차이점은 서로 동일한 지점(homologous)을 인식할 때 충분한 영상의 대비가 요구되는 것이 아니라, 모든 화소(pixel)의 시차(parallaxes)인 △r=r2-r1를 측정하기 위해 위상(phase) 정보를 이용한다는 것이다. 이것은 SAR 시스템이 수신된 신호의 위상을 기록하는 coherent 영상 시스템이기 때문이다.
송수신하는 하나의 SAR 시스템에 기록되는 한 화소의 위상은 왕복 거리에 대한 위상과 더불어 수학식 1과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112020068459233-pat00002
여기서 λ는 레이다 파장이고, Φscatt는 지표면 물체에서 산란할 때 발생하는 위상 편이(phase shift) 양을 나타낸다. Φprop는 대기나 이온층을 투과할 때 발생하는 위상 지연 효과, Φnoise는 열이나 quantization 등에 의한 노이즈 성분을 각각 나타낸다. Cross-Track InSAR는 이상적으로 두 개의 SAR 안테나가 동시에 운영되어야 하는데(single-pass interferometry), 이 경우 두 개의 SAR 안테나 중 하나(primary antenna)에서만 송신을 하고, 두 개의 SAR 안테나가 동시에 수신하는 형태가 될 수 있다. 이런 경우, 각각의 SAR 시스템에 기록되는 위상은 수학식 2 및 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112020068459233-pat00003
Figure 112020068459233-pat00004
여기서 Φ1은 첫 번째 안테나에서 기록된 위상, Φ2는 두 번째 안테나에서 기록된 동일 산란체(scatterer)에 대한 위상을 각각 나타낸다고 할 때, 첫 번째 안테나의 경우, 송신과 수신이 같은 위치에서 이루어짐으로 r+r=2r의 이동거리에 해당하는 위상 정보를 가지고 있고, 두 번째 안테나에서는 첫 번째 안테나에서 송신한 신호를 두 번째 안테나에서 수신하기 때문에 r+(r+△r)=2r+△r의 거리를 이동한 위상 신호를 가지게 된다(도 4의 a). 일반적으로 기선 거리(baseline)로 인한, 즉 두 안테나로부터 다른 look angle을 가지게 되는 효과는 아주 작기 때문에, 단일 패스 간섭기법을 통해 획득되는 두 SAR 영상의 위상에서 대기 위상 지연 효과는 동일하다고 볼 수 있다. 즉, Φprop,1=Φprop,2는 또한 동시에 측정된 물체에 대한 산란 특성도 동일하다고 가정할 수 있다. 즉, Φscatt,1 =Φscatt,2 따라서 모든 화소에 대한 위상차는 결국 거리 시차와 같아진다(노이즈에 대한 효과는 무시). 이로부터 단일 패스 간섭기법의 위상차는 수학식 4와 같이 간단히 표현될 수 있다.
Figure 112020068459233-pat00005
여기서, 두 안테나 사이의 기선 거리(B)가 지표면까지의 거리보다 훨씬 짧다고 가정하면, 수학식 5와 같이 근사시킬 수 있다.
Figure 112020068459233-pat00006
한편, 지형 변화가 전혀 없는, 즉 지구 타원체에 해당하는 위상차(△Φ0)는 수학식 6과 같이 표현된다.
Figure 112020068459233-pat00007
수학식 5로부터 수학식 6을 뺀 지형 자체에 대한 위상차(△Φflat)는 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다(도 4의 b).
Figure 112020068459233-pat00008
Figure 112020068459233-pat00009
0는 지구타원체에 대한 수직 기선 거리로써 항공기의 경우, 두 안테나 사이의 거리 및 orientation 각도(α)를 고려하여 계산될 수 있다. 하지만 이 orientation은 비행 자세의 요동에 의해 발생되는, 특히 roll 각도의 변화도 함께 고려될 필요가 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 고도 정보 추정 시스템의 단일 기준 트랙에 대한 움직임 보상을 나타내는 예시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정밀 고도 정보 추정 시스템의 간섭기법을 위한 SAR 모션 보상을 나타내는 예시도이다.
단일 패스 간섭기법을 적용하기 위해서는 제1 무인 비행체(100) 및 제2 무인 비행체(200)로 인한 위상 변화를 보상하여야 한다. 제1 SAR 영상 및 제2 SAR 영상의 자세 보정(Motion Compensation)은 대표적으로 두 가지 알고리즘으로 보상이 수행될 수 있다.
두 가지 알고리즘은 각각의 채널에 대한 참조 트랙(Reference Track)을 정의하여 보상하는 방법(Dual Reference Track Motion Compensation)과 하나의 Track을 정의한 후 각각의 채널 자료를 이 track으로 보상하는 기법(Single Reference track motion compensation)이다.
도 6을 참조하면, 정밀 고도 정보 추정 시스템(10)은 Single Reference Track을 정의한 후, SAR 센서의 자세 정보와 위치 정보를 보정하여 간섭기법을 적용한다.
실제 비행 경로와 보정하고자 하는 기준 경로에 대한 위상 값은 수학식 8과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112020068459233-pat00010
수학식 8에서,
Figure 112020068459233-pat00011
는 움직임에 의하여 발생되는 위상 오차를 나타내며,
Figure 112020068459233-pat00012
는 기준 경로와 실제 경로의 벡터이며,
Figure 112020068459233-pat00013
는 시야 방향의 단위 벡터이다.
Figure 112020068459233-pat00014
와
Figure 112020068459233-pat00015
는 각각 수직 방향으로부터
Figure 112020068459233-pat00016
와
Figure 112020068459233-pat00017
의 각도이다.
수학식 8은 Look Angle에 대한 함수로 표현될 수 있기 때문에, 이에 대한 미분은 수학식 9와 같이 표현된다.
Figure 112020068459233-pat00018
수학식 9를 참조하면, 실제 산란체의 고도에 대한 정보를 알 수 없기 때문에 움직임 보정에 의한 위상 오차는
Figure 112020068459233-pat00019
에 의하여 비례하게 나타날 수 있다. 또한, 보정은
Figure 112020068459233-pat00020
에 의해 발생되기 대문이 이를 r에 대하여 표현할 수 있다.
Figure 112020068459233-pat00021
Figure 112020068459233-pat00022
보정된 각 영상을 이용하여 간섭기법 처리는 Zero-Doppler 영상으로 가정하여 다음과 같은 정보를 이용하여 지형 정보를 추출할 수 있다. 기준 고도를 기준으로 처리된 영상이 가지고 있는 위상을 각각
Figure 112020068459233-pat00023
와
Figure 112020068459233-pat00024
라고 표현할 때 수학식 12 및 수학식 13과 같은 위상 값을 가질 수 있다.
Figure 112020068459233-pat00025
Figure 112020068459233-pat00026
그러나 SAR에 의하여 관측된 위상 값은 실제 지형의 고도를 반영할 수 있다. 그러므로 각 안테나에 기록된 위상 값을
Figure 112020068459233-pat00027
과
Figure 112020068459233-pat00028
로 표현할 때 수학식 14 및 수학식 15와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020068459233-pat00029
Figure 112020068459233-pat00030
따라서, 두 제1 SAR 영상 및 제2 SAR 영상의 차분된 위상 값은 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020068459233-pat00031
만약 영상에 포함되어 있는 지형이 모션 보상(Motion Compensation)에 사용된 기준 고도와 같다면, 위의 차분 위상은 0이 될 것이다. 그러나 실제로는 이와는 다른 지형을 가지기 때문에 지형 고도를 추출할 수 있다. 여기서, Rbh와 Rb0는 수학식 17 및 수학식 18과 같이 삼각 함수를 이용하여 기술할 수 있다.
Figure 112020068459233-pat00032
Figure 112020068459233-pat00033
따라서, 지형에 대한 고도 정보는 수학식 19와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020068459233-pat00034
여기서,
Figure 112020068459233-pat00035
는 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112020068459233-pat00036
제1 무인 비행체 또는 제2 무인 비행체는, 다른 무인 비행체의 비행을 참고하지 않고 독자적 비행을 수행하는 메인 비행체 또는 상기 메일 비행체의 위치를 기준으로 기선 거리를 유지하는 서브 비행체로 비행 권한이 설정되며, 레이더 신호를 송신하고 수신하는 양방향 모드 또는 레이더 신호를 수신하는 단방향 모드로 설정된다.
고도 정보 추정 장치는 제1 제어 모드, 제2 제어 모드, 제3 제어 모드, 제4 제어 모드로 제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체의 동작 상태에 따라 능동적으로 적용할 수 있다. 제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체의 동작 상태는 테스트 신호를 송신하여 체크한다.
제1 제어 모드는 제1 무인 비행체가 메인 비행체로 설정되고 제2 무인 비행체가 서브 비행체로 설정되고, 제1 무인 비행체가 양방향 모드로 설정되고 제2 무인 비행체가 단방향 모드로 설정된다.
제2 제어 모드는 제2 무인 비행체가 메인 비행체로 설정되고 제1 무인 비행체가 서브 비행체로 설정되고, 제1 무인 비행체가 양방향 모드로 설정되고 제2 무인 비행체가 단방향 모드로 설정된다.
제3 제어 모드는 제1 무인 비행체가 메인 비행체로 설정되고 제2 무인 비행체가 서브 비행체로 설정되고, 제2 무인 비행체가 양방향 모드로 설정되고 제1 무인 비행체가 단방향 모드로 설정된다.
제4 제어 모드는 제2 무인 비행체가 메인 비행체로 설정되고 제1 무인 비행체가 서브 비행체로 설정되고, 제2 무인 비행체가 양방향 모드로 설정되고 제1 무인 비행체가 단방향 모드로 설정된다.
고도 정보 추정 장치가 고도 영상의 정밀도를 재설정하고, 고도 정보 추정 장치가 정밀도에 따른 기선 거리를 산출하여, 메인 비행체 및 서브 비행체로 제1 기선 거리 정보를 전송한다.
메인 비행체가 고도 영상의 정밀도를 재설정하고, 메인 비행체가 정밀도에 따른 기선 거리를 산출하여, 서브 비행체로 제2 기선 거리 정보를 전송한다.
서브 비행체는 고도 정보 추정 장치로부터 수신한 제1 기선 거리 정보와 메인 비행체로부터 수신한 제2 기선 거리 정보를 비교하여 비교 결과가 다르면, 고도 정보 추정 장치 및 메인 비행체로 상태 정보를 전송하고 정밀도에 따른 기선 거리를 재산출하여 갱신한다. 서브 비행체는 갱신된 기선 거리에 따라 비행을 제어한다.
정밀 고도 정보 추정 시스템(10)은 제1 합성 개구 레이더(110) 및 제2 합성 개구 레이더(210)로부터 획득한 제1 SAR 영상 및 제2 SAR 영상을 이용하여 간접 영상을 생성할 수 있다. 이때, Lever Arm의 벡터 성분 중 Cross-track 성분이 존재하는 경우, 해양의 표면은 고도가 일정하다고 가정할 수 있기 때문에 전혀 문제가 없으나, 육상의 경우, 속도가 아닌 지형 고도로 인한 잔여 위상이 포함될 수 있다. 따라서, 이를 제거하기 위해 이 지역의 DEM과 Cross-track 기선 거리를 이용하여 제거할 수 있다.
정밀 고도 정보 추정 시스템(10)은 고해상도 관측과 더불어, 다중 편파 관측과 단일 패스 간섭기법이 가능한 관측 모드로 구현될 수 있다. 정밀 고도 정보 추정 시스템(10)은 하나의 채널에서 송신한 신호를 두 개의 합성 개구 레이더에서 수신하여 단일 패스 간섭기법의 자료 획득이 가능할 수 있다.
무인 비행체에 탑재된 합성 개구 레이더는 인공위성과 달리 대기 외란으로 인해 자세가 불안정하여, 수신되는 SAR 신호를 심각하게 훼손시킬 수 있다. 이러한 신호를 SAR 영상으로 복원이 가능하고, 나아가 간섭기법에 적용할 수 있는 위상의 복원을 위해 무인 비행체의 위치 오차 및 자세에 대한 Motion Compensation을 수행하여야 한다. 정밀 고도 정보 추정 시스템(10)은 단일 패스 간섭기법 자료의 생성이 가능하여, 반복 패스 간섭기법으로는 자료 획득이 불가능한 지역들(예를 들어, 조간대 지역이나 식생이 많은 지역)에 대해 고해상도 DEM 제작이 가능하고, 또한 상대 적으로 움직임의 속도가 빠른 물체(예를 들어, 해류의 흐름이나 자동차/선박 등의 이동)에 대한 속도를 탐지할 수 있다. 또한, 정밀 고도 정보 추정 시스템(10)은 긴급한 재해재난이 발생 시 적시적지에 관측이 가능할 수 있다. 인공위성은 정해진 궤도를 따라 정해진 시각에만 촬영할 수 있지만, 무인 비행체는 이러한 제약이 크지 않다.
정밀 고도 정보 추정 장치에 포함된 구성요소들은 복수의 모듈로 구현되거나 복수의 구성요소들은 상호 결합되어 적어도 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 구성요소들은 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작한다. 이러한 구성요소들은 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.
정밀 고도 정보 추정 장치는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 로직회로 내에서 구현될 수 있고, 범용 또는 특정 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수도 있다. 장치는 고정배선형(Hardwired) 기기, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 등을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 장치는 하나 이상의 프로세서 및 컨트롤러를 포함한 시스템온칩(System on Chip, SoC)으로 구현될 수 있다.
정밀 고도 정보 추정 장치는 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 탑재될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신장치, 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.
도 3에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 3에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 정밀 고도 정보 추정 시스템
100: 제1 무인 비행체
110: 제1 합성 개구 레이더
200: 제2 무인 비행체
210: 제2 합성 개구 레이더
300: 고도 정보 추정 장치

Claims (11)

  1. 복수의 무인 비행체에 각각 장착된 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)를 이용한 정밀 고도 정보 추정 방법에 있어서,
    고도 영상의 정밀도에 따라 제1 무인 비행체의 제1 합성 개구 레이더 및 제2 무인 비행체의 제2 합성 개구 레이더 간의 기선 거리를 설정하는 단계;
    상기 기선 거리를 이용하여 제1 합성 개구 레이더가 장착된 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 합성 개구 레이더가 장착된 상기 제2 무인 비행체를 제어하는 단계; 및
    상기 제1 합성 개구 레이더를 통해 획득한 제1 SAR 영상 및 상기 제2 합성 개구 레이더를 통해 획득한 제2 SAR 영상으로부터 위상차를 산출하는 SAR 간섭 기법을 통해 상기 고도 영상을 출력하는 단계
    를 포함하는 정밀 고도 정보 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 SAR 간섭 기법은,
    복소수 값으로 이루어진 상기 제1 SAR 영상 및 상기 제2 SAR 영상을 이용하여 위상차(Phase Difference)를 구해 지표면 정보를 추출하고,
    상기 제1 합성 개구 레이더 및 상기 제2 합성 개구 레이더는 궤도, 시각 또는 파장이 적어도 하나 다르게 설정되어 상기 제1 SAR 영상 및 상기 제2 SAR 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 정보 추정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기선 거리를 설정하는 단계는,
    상기 고도 영상의 정밀도의 범위를 설정하고,
    상기 고도 영상의 정밀도의 범위를 기준으로 상기 제1 무인 비행체와 상기 제2 무인 비행체가 평행하게 비행하면서 지표면을 관측하는 경우에 비행 경로의 차이를 나타내는 상기 기선 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 정보 추정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체를 제어하는 단계는,
    상기 고도 영상의 정밀도에 따라 산출된 상기 기선 거리에 해당하는 절대 위치, 상대 위치, 비행 방향, 비행 속도 또는 이들의 조합을 포함하는 비행 명령 신호를 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체에 전송하는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 정보 추정 방법.
  5. 제1 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)가 장착되며 제1 SAR 영상을 생성하는 제1 무인 비행체;
    제2 합성 개구 레이더가 장착되며 제2 SAR 영상을 생성하는 제2 무인 비행체; 및
    상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체와 통신하며, 상기 제1 SAR 영상과 상기 제2 SAR 영상 간의 위상차를 산출하는 SAR 간섭 기법을 통해 고도 영상을 생성하는 고도 정보 추정 장치를 포함하며,
    상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체는 상기 고도 영상의 정밀도에 따라 설정된 상기 제1 합성 개구 레이더 및 상기 제2 합성 개구 레이더 간의 기선 거리에 따라 비행하는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 정보 추정 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 SAR 간섭 기법은,
    복소수 값으로 이루어진 상기 제1 SAR 영상 및 상기 제2 SAR 영상을 이용하여 위상차(Phase Difference)를 구해 지표면 정보를 추출하고,
    상기 제1 합성 개구 레이더 및 상기 제2 합성 개구 레이더는 궤도, 시각 또는 파장이 적어도 하나 다르게 설정되어 상기 제1 SAR 영상 및 상기 제2 SAR 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 정보 추정 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 무인 비행체 또는 상기 제2 무인 비행체는,
    다른 무인 비행체의 비행을 참고하지 않고 독자적 비행을 수행하는 메인 비행체 또는 상기 메인 비행체의 위치를 기준으로 상기 기선 거리를 유지하는 서브 비행체로 비행 권한이 설정되며,
    레이더 신호를 송신하고 수신하는 양방향 모드 또는 레이더 신호를 수신하는 단방향 모드로 설정되는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 정보 추정 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고도 정보 추정 장치는,
    (i) 상기 제1 무인 비행체가 상기 메인 비행체로 설정되고 상기 제2 무인 비행체가 상기 서브 비행체로 설정되고, 상기 제1 무인 비행체가 상기 양방향 모드로 설정되고 상기 제2 무인 비행체가 상기 단방향 모드로 설정되는 제1 제어 모드,
    (ii) 상기 제2 무인 비행체가 상기 메인 비행체로 설정되고 상기 제1 무인 비행체가 상기 서브 비행체로 설정되고, 상기 제1 무인 비행체가 상기 양방향 모드로 설정되고 상기 제2 무인 비행체가 상기 단방향 모드로 설정되는 제2 제어 모드,
    (iii) 상기 제1 무인 비행체가 상기 메인 비행체로 설정되고 상기 제2 무인 비행체가 상기 서브 비행체로 설정되고, 상기 제2 무인 비행체가 상기 양방향 모드로 설정되고 상기 제1 무인 비행체가 상기 단방향 모드로 설정되는 제3 제어 모드,
    (iv) 상기 제2 무인 비행체가 상기 메인 비행체로 설정되고 상기 제1 무인 비행체가 상기 서브 비행체로 설정되고, 상기 제2 무인 비행체가 상기 양방향 모드로 설정되고 상기 제1 무인 비행체가 상기 단방향 모드로 설정되는 제4 제어 모드로 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체의 동작 상태에 따라 능동적으로 적용하는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 정보 추정 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 고도 정보 추정 장치가 상기 고도 영상의 정밀도를 재설정하고, 상기 고도 정보 추정 장치가 상기 정밀도에 따른 기선 거리를 산출하여, 상기 메인 비행체 및 상기 서브 비행체로 제1 기선 거리 정보를 전송하는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 정보 추정 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 메인 비행체가 상기 고도 영상의 정밀도를 재설정하고, 상기 메인 비행체가 상기 정밀도에 따른 기선 거리를 산출하여, 상기 서브 비행체로 제2 기선 거리 정보를 전송하는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 정보 추정 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 서브 비행체는 상기 고도 정보 추정 장치로부터 수신한 제1 기선 거리 정보와 상기 메인 비행체로부터 수신한 제2 기선 거리 정보가 다르면, 상기 고도 정보 추정 장치 및 상기 메인 비행체로 상태 정보를 전송하고 상기 정밀도에 따른 기선 거리를 재산출하여 갱신하는 것을 특징으로 하는 정밀 고도 정보 추정 시스템.
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