KR102202626B1 - 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 장치 및 시스템 - Google Patents

초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 장치 및 시스템 Download PDF

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권순구
이종은
전영범
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Abstract

본 발명에 따르면, 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)가 장착되며 SAR 데이터를 생성하는 무인 비행체, 무인 비행체와 통신하며 SAR 데이터를 수신하는 신호 처리 장비, 및 무인 비행체와 통신하며 임무 파일을 전송하는 외부 연동 모의 장비를 포함하며, 무인 비행체는 현재 고도 상태에 따라 자체 점검, 임무 준비, 임무 수행, 임무 종료를 수행하여 소형 무인 비행체에 탑재된 안테나의 운용을 체계화할 수 있는 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템을 개시한다.

Description

초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 장치 및 시스템 {SUPER LIGHT AND SMALL SYNTHETIC APERTURE RADAR APPARATUS AND SYSTEM FOR UNMANNED MOBILE}
본 발명은 영상 레이더 장치 및 시스템에 관한 것으로, 특히 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 장치 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 비행기 또는 인공 위성 등에 탑재되어 이용되므로, 무인 이동체에 탑재되어 이용할 수 있도록 초경량 소형으로 제작할 수 있는 영상 레이더 장치가 필요하다.
한국등록특허공보 제10-1839046호 (2018.03.09.)
본 발명은 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템에 관한 것으로, 영상 레이더 시스템은 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)가 장착되며 SAR 데이터를 생성하는 무인 비행체, 무인 비행체와 통신하며 SAR 데이터를 수신하는 신호 처리 장비, 및 무인 비행체와 통신하며 임무 파일을 전송하는 외부 연동 모의 장비를 포함하며, 무인 비행체는 현재 고도 상태에 따라 자체 점검, 임무 준비, 임무 수행, 임무 종료를 수행하여 소형 무인 비행체에 탑재된 안테나의 운용을 체계화하는 데 그 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, 영상 레이더 시스템에 있어서, 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)가 장착되며 SAR 데이터를 생성하는 무인 비행체, 상기 무인 비행체와 통신하며 상기 SAR 데이터를 수신하는 신호 처리 장비, 및 상기 무인 비행체와 통신하며 임무 파일을 전송하는 외부 연동 모의 장비를 포함하며, 상기 무인 비행체는 초기 상태, 준비 상태, 운용 상태, 또는 고장 상태로 현재 상태를 구분하고, 상기 준비 상태에서 상기 임무 파일을 분석하고, 상기 운용 상태에서 상기 임무 파일을 분석한 결과에 따른 임무 경로 및 임무 영역에 대해서 상기 SAR 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 영상 레이더 시스템을 제공한다.
상기 무인 비행체는, 상기 합성 개구 레이더에 연결된 김발 장치, 상기 김발 장치에 연결된 항법 제어 장치, 및 상기 합성 개구 레이더에 연결된 무선 송수신기를 포함하고, 상기 항법 제어 장치의 내부에 위성 항법 모듈 및 관성 측정 모듈이 설치될 수 있다.
상기 무인 비행체는, 상기 초기 상태에서 비행을 하지 않고 상기 합성 개구 레이더, 상기 김발 장치, 상기 항법 제어 장치, 및 상기 무선 송수신기에 전원을 공급한 후 자체 점검을 수행하고, 상기 준비 상태에서 출발 지점부터 임무 고도 범위까지 상승 비행하거나 상기 임무 고도 범위부터 복귀 지점으로 하강 비행하고, 상기 운용 상태에서 상기 임무 고도 범위를 만족하면서 비행할 수 있다.
상기 무인 비행체는, 상기 초기 상태에서 (i) 상기 위성 항법 모듈이 감지한 항법 위성의 개수가 기준 개수를 만족한 상태인 제1 조건, (ii) 상기 관성 측정 모듈이 정렬을 완료한 상태인 제2 조건, 및 (iii) 상기 무선 송수신기가 예열을 완료한 상태인 제3 조건을 만족하면, 상기 초기 상태에서 상기 준비 상태로 전환할 수 있다.
상기 무인 비행체는, 상기 준비 상태에서 상기 임무 고도 범위에 도달하면, 상기 임무 경로 및 상기 임무 영역을 촬영하는 상황을 고려하여 예측된 전원 사용량을 기준으로 잔여 시간을 산출하고, 상기 잔여 시간을 카운트하고, 상기 잔여 시간을 상기 외부 연동 모의 장비로 전송하고, 상기 준비 상태에서 상기 운용 상태로 전환할 수 있다.
상기 무인 비행체는, 상기 운용 상태에서 상기 자체 점검을 다시 수행한 결과 고장을 감지하거나 (i) 상기 위성 항법 모듈이 감지한 항법 위성의 개수가 기준 개수를 만족한 상태인 제1 조건을 만족하지 않거나 (ii) 상기 관성 측정 모듈이 정렬을 완료한 상태인 제2 조건을 만족하지 않으면, 상기 운용 상태에서 상기 고장 상태로 전환하고, 해당하는 조건을 구분하여 나타내는 플래그를 포함하는 고장 상태 메시지를 상기 외부 연동 모의 장비로 전송할 수 있다.
상기 무인 비행체는 (i) 제1 합성 개구 레이더가 장착되며 제1 SAR 데이터를 생성하는 제1 무인 비행체 및 (ii) 제2 합성 개구 레이더가 장착되며 제2 SAR 데이터를 생성하는 제2 무인 비행체를 포함하며, 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 중에서 하나의 무인 비행체가 상기 고장 상태이면, 고장 상태가 아닌 다른 무인 비행체로 SAR 데이터를 전송하고, 상기 다른 무인 비행체는 수신한 SAR 데이터를 저장하고, 전원 사용량 및 저장 공간을 기준으로 잔여 시간을 재산출하고, 상기 재산출한 잔여 시간을 상기 외부 연동 모의 장비로 전송할 수 있다.
상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 중에서 하나의 무인 비행체가 상기 고장 상태이고, 상기 고장 상태인 무인 비행체의 임무 개수가 남은 상태이면, 고장 상태가 아닌 다른 무인 비행체로 남은 임무를 전송하고, 상기 다른 무인 비행체는 상기 남은 임무에 따른 임무 경로 및 임무 영역이 상기 다른 무인 비행체 자신의 임무 경로 및 임무 영역과 일부 중복되지 않아서, 상기 전원 사용량 및 상기 저장 공간을 기준으로 잔여 시간을 재산출한 결과, 상기 자신의 임무 경로 및 임무 영역을 전부 수행할 수 없는 상태이면, 우선적으로 수행할 임무를 요청하는 메시지를 상기 외부 연동 모의 장비로 전송할 수 있다.
상기 다른 무인 비행체가 상기 외부 연동 모의 장비로부터 응답 메시지를 수신하지 못하면, 상기 잔여 시간 동안 상기 자신의 임무 경로 및 임무 영역을 우선적으로 수행하고, 상기 남은 임무에 따른 임무 경로 및 임무 영역 중에서 가까운 경로 및 영역부터 수행할 수 있다.
상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 각각은 상기 위성 항법 모듈이 감지한 항법 위성의 개수가 상기 제1 조건을 만족하지 않으면, 상기 감지한 항법 위성의 식별번호 및 상기 제1 조건을 나타내는 플래그를 포함하는 고장 상태 메시지를 상기 외부 연동 모의 장비로 전송하고, 상기 외부 연동 모의 장비는 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 각각이 감지한 항법 위성의 일부가 달라서, 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 모두가 감지한 항법 위성의 개수가 상기 제1 조건을 만족하면, 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체로 상기 위성 항법 정보의 보완이 가능하다는 것을 나타내는 메시지를 전송하고, 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 간에 상기 위성 항법 정보를 전송하여 상기 위성 항법 정보를 공유하고, 부족한 항법 위성 정보를 보완하고, 상기 위성 항법 정보를 보완했음을 나타내는 메시지를 상기 외부 연동 모의 장비로 전송할 수 있다.
상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 각각은 상기 감지한 항법 위성의 식별번호 및 상기 제1 조건을 나타내는 플래그를 포함하는 고장 상태 메시지를 상호 전송하고, 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체는 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 각각이 감지한 항법 위성의 일부가 달라서, 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 모두가 감지한 항법 위성의 개수가 상기 제1 조건을 만족하면, 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 간에 상기 위성 항법 정보의 보완이 가능하다는 것을 나타내는 메시지를 전송하고, 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 간에 상기 위성 항법 정보를 전송하여 상기 위성 항법 정보를 공유하고, 부족한 항법 위성 정보를 보완하고, 상기 위성 항법 정보를 보완했음을 나타내는 메시지를 상기 외부 연동 모의 장비로 전송할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템은 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)가 장착되며 SAR 데이터를 생성하는 무인 비행체, 무인 비행체와 통신하며 SAR 데이터를 수신하는 신호 처리 장비, 및 무인 비행체와 통신하며 임무 파일을 전송하는 외부 연동 모의 장비를 포함하며, 무인 비행체는 현재 고도 상태에 따라 자체 점검, 임무 준비, 임무 수행, 임무 종료를 수행하여 소형 무인 비행체에 탑재된 안테나의 운용을 체계화할 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 탑재체 내부 인터페이스를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 외부 인터페이스를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 운용 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 상태 천이 로직을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 임무 경로 및 임무 영역을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 출력 화면을 예시한 도면이다.
이하, 본 발명에 관련된 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 장치 및 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 “모듈” 및 “부”는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 장치 및 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 장치(10)는 안테나 장치(100), 김발 장치(200), 항법 제어 장치(300), 무선 송수신기(400)를 포함하며, 무인 이동체(11)에 장착 가능하도록 설계된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 장치(10)는 무인 이동체에 탑재되어 이미지를 획득하는 장치이다.
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.
무인 이동체는 조종사 없이 무선전파의 유도에 의해서 비행 및 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터 모양의 이동체이다.
본 발명의 일 실시예에서는 카메라, 센서, 통신시스템 등이 탑재되어 구현되는 드론을 예로 들어 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니고, 무인으로 이동하는 이동체에 모두 탑재 가능하도록 설계되는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 장치(10)는 탑재체에 해당하며, 관성 측정 모듈(Inertial Measurement Unit, IMU)를 제외한 무게는 2.0 내지 3.0 kg인 것이 바람직하다.
종래의 레이더 탑재체 보다 무게를 가볍게 하여 무인 이동체의 탑재가 가능하도록 하며, 지상체와의 통신을 수행하도록 설계하여 무인 이동체에서 비행하는 경우에도 정보를 전달하고 임무를 수행하는 것이 가능하도록 한다.
요구 설계에 따라 영상 해상도, 운용 고도(1400 내지 1600 ft, 400 내지 500[m]), 중심 주파수(X-band)를 설정한다. 거리방향 영상폭을 설정하고, 방위방향 영상폭은 무제한(전원용량)으로 설정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템(1)은 탑재체(10)와 지상체(20)를 포함하며, 탑재체(10)는 안테나 장치(100), 김발 장치(200), 항법 제어 장치(300), 무선 송수신기(400)를 포함하고, 지상체(20)는 신호 처리 장비(500), 외부 연동 모의 장비(600), 표적 모의 장비(700)를 포함한다.
영상 레이더 시스템은 합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)가 장착되며 SAR 데이터를 생성하는 무인 비행체, 무인 비행체와 통신하며 SAR 데이터를 수신하는 신호 처리 장비, 및 무인 비행체와 통신하며 임무 파일을 전송하는 외부 연동 모의 장비를 포함한다.
무인 비행체는 초기 상태, 준비 상태, 운용 상태, 또는 고장 상태로 현재 상태를 구분하고, 준비 상태에서 상기 임무 파일을 분석하고, 운용 상태에서 임무 파일을 분석한 결과에 따른 임무 경로 및 임무 영역에 대해서 SAR 데이터를 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템(1)의 체계요구조건검토(SRR)/체계기능검토(SFR) 목적은 사용자 요구조건(임무중심)으로부터 도출된 체계 요구조건(기능/성능 중심)의 타당성 (외부 인터페이스 포함)과 체계 요구조건으로부터 하위 구성품으로의 요구조건 할당 및 이에 대한 적절성을 구현하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템(1)은 운용모드는 SAR 모드 (Stripmap)으로 구현되는 것이 바람직하다.
거리 방향 해상도는 0.3, 0.5, 1 [m], 거리 방향 영상폭은 0.3, 0.5, 1 [km] 이상인 것이 바람직하며, 최대 탐지 거리는 1km 이하로 설계되는 것이 바람직하다.
기본설계검토 목적은 HW 및 SW 사양에서 하위 레벨로 할당된 기능 및 사양들의 적절성을 구현하고자 하는 것이다. HW 및 S/W 설계의 효율성 및 타당성을 검증하고 인터페이스와 관련된 문서들의 적절성과 상세설계 단계로의 추진여부 결정하고자 하는 것이다.
상세설계검토 목적은 상위 요구조건들이 구성품 설계에 적절히 반영되어 있는지 여부를 확인하고 할당 하드웨어 규격의 제작 가능 여부 및 도면 준비 상태와 할당 소프트웨어 규격에 근거한 코딩 가능 여부와 상세설계를 통한 기술적 위험 경감 및 대안 수립 여부를 확인하고자 하는데 있다.
안테나 장치(100)는 급전부, 방사부 패치, 기생패치, 차폐벽을 포함한다.
안테나 장치(100)의 요구 규격에 따라 중량, 운용 주파수, 편파, 안테나 이득, 부엽 준위를 설정한다.
김발 장치(200)는 방위각 조립체, 고각 조립체, 방진구 조립체를 포함한다.
김발 장치(200)의 요구 규격에 따라 중량, 구동 방식의 축, 방위각, 방위각, 고각을 설정한다. 자체 고장 진단을 수행할 수 있도록 모니터링부(센서 등)을 위치시키고 이를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
김발 장치(200)는 무인 이동체에 장착 가능하도록 설계된다.
항법 제어 장치(300)는 제어모듈, 위성 항법 모듈(GPS), 관성 측정 모듈(IMU), 하우징을 포함한다.
항법 제어 장치(300)의 요구 규격에 따라 중량, 입력전원, 소모전력을 설정한다. 운용 상태를 제어할 수 있도록 운용 제어부를 포함할 수 있다.
무선 송수신기(400)는 RF 무선 송수신기며 RF 모듈, 디지털 모듈, 전원 모듈, 하우징을 포함한다.
무선 송수신기(400)의 요구 규격에 따라 중량, 운용 주파수, 송신 출력, 펄스폭, 수신 IF 중심주파수, 수신 IF 대역폭, 수신 동적범위를 설정한다.
신호 처리 장비(500)는 워크 스테이션을 포함한다.
외부 연동 모의 장비(600)는 제어 노트북을 포함한다.
표적 모의 장비(700)는 제어 모듈, 표적 발생 모듈, IF 수신 모듈, 표적 IF 모듈, 송수신 RF 모듈, 국부 발생 모듈, 전원 모듈, 하우징을 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 항법 제어 장치는 김발 장치의 지향각을 제어하며, 상태 정보를 전송하고 전원을 공급한다.
김발 장치는 속도 센서, 가속도 센서, 자이로 센서, 지면과 차체 사이의 거리 측정 센서 등 다양한 센서를 포함할 수 있으며 센서를 통해, 현재 속도, 진행 방향, 가속 및 감속 정보를 감지 및 측정하여 항법 제어 장치에 전송할 수 있다.
RF 무선 송수신기는 안테나 장치로 송신 신호를 전송하고, 안테나 장치로부터 수신 신호를 수신 받는다.
항법 제어 장치는 RF 무선 송수신기의 RF 송수신을 제어하며 타이밍 신호와 전원을 제어한다.
항법 제어 장치는 외부의 GNSS 안테나로부터 GPS 신호를 전달 받고, 외장 배터리로부터 전원을 공급받는다.
항법 제어 장치는 지상체의 외부 연동 모의 장비로 항법 및 상태 정보를 전송하고, 제어 정보, MDF(Mission Definition File) 정보, EGI(Embedded GPS INS) 모의 정보를 전달 받는다.
항법 제어 장치는 지상체의 비행 시험 장비로 항법 정보를 전송한다.
RF 무선 송수신기는 지상체의 표적 모의 장비로 송신 신호와 타이밍 신호를 전송하고, 표적 모의 신호를 수신한다.
RF 무선 송수신기는 지상체의 지상 신호 처리 장비로 SAR Raw 데이터를 전송한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 탑재체 내부 인터페이스를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 항법 제어 장치는 김발 장치로 전원을 공급하고, 방위각/고각 김발 제어 명령을 전송하고, 김발 상태 정보를 수신 받는다.
항법 제어 장치는 RF 무선 송수신기와 전원을 주고 받으며, 타이밍 신호를 송수신하고 항법 정보 및 임무정보를 전달하고 장비 상태 정보를 전달 받는다.
RF 무선 송수신기와 안테나 장치는 RF 송신 신호와 RF 수신 신호를 주고 받는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 외부 인터페이스를 나타낸 도면이다.
항법 제어 장치는 외부의 GNSS 안테나로부터 위성 신호를 전달 받는다.
RF 무선 송수신기는 지상체의 표적 모의 장비와 RF 수신신호와 RF 송신신호를 주고 받으며, 타이밍 신호와 기준 신호를 전송한다.
외부 연동 모의 장비는 안테나 장치와 김발 장치로 임무정보, 장비 제어 신호, 항법 모의 데이터를 전송하고, 항법 정보와 장비 상태 정보를 전달 받는다.
외부 연동 모의 장비는 임무장비와 비행체가 독립된 시스템으로 동작하며, 임무장비 내부에 안정화를 위한 각속도 센서를 탑재하며 각속도 센서값을 피드백하여 비행체가 기동시 카메라가 불안정한 기동을 하지 않도록 안정화 제어를 수행할 수 있다.
안테나 장치는 송신 안테나와 수신 안테나를 포함한다.
송신 안테나는 마이크로스트립 패치형 안테나 구조인 것이 바람직하다.
또한, 송신 안테나와 수신 안테나 사이에 차폐벽을 포함하며, 급전 구조 V-pol을 형성한다.
안테나 장치는 소정 두께를 갖는 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 다중대역 주파수를 모두 수신하는 특성을 갖도록 급전부에 발룬 또는 광대역 매칭 기법을 이용할 수 있다. 안테나 장치는 그 평면 형상이나 종류가 한정되는 것은 아니며, 다중대역의 특성을 갖는 플레이트 형상의 안테나라면 모두 가능하다.
안테나 장치의 요구 규격에 따라 중량, 운용 주파수, 안테나 이득, 안테나 빔폭 거리 방향, 방위 방향을 설정한다.
김발 장치는 구동 모터, 방진압소바, 방위각용 고정판을 포함한다.
김발 장치의 요구 규격에 따라 중량, 구동 방식의 축을 설정한다. 방위각 구동 범위는 -130 내지 130도 이내, 고각 구동 범위는 0 내지 85도 이내인 것이 바람직하다.
테스트 신호를 송신하고 수신된 신호 결과를 분석하거나 센서를 통해 획득한 결과를 분석하여 자체 고장 진단 기능을 수행할 수 있다.
무선 송수신기의 RF 모듈은 송신부, 주파수 발생부, 수신부를 포함하며, 전원 모듈 및 디지털 변환 모듈은 DC/DC 컨버터, 노이즈 필터, 저장 메모리부, 파형 발생부, FPGA 제어부, ADC 제어부를 포함한다.
무선 송수신기의 요구 규격에 따라 중량, 운용 주파수, 송신출력, 수신 IF 중심주파수, 수신 IF 대역폭, 수신 동적범위, 수신이득, 잡음레벨, 수신 NF 3dB, 출력 대역폭을 설정한다.
항법 제어 장치의 요구 규격에 따라 중량, 입력전원, 소모전력을 설정한다. 운용 상태 제어 기능을 수행하는 것이 바람직하다. 자체 고장 진단 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템은 고속 신호 처리용 그래픽 카드를 포함하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 운용 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 영상 레이더 시스템은 초기 상태, 준비 상태, 운용 상태로 구분된다.
도 6의 (b)를 참조하면, 초기 상태에서 SAR에 전원이 공급되고 구성품에 전원이 인가되며 고장 식별을 위한 BIT 점검을 수행한다.
준비 상태에서 BIT 점검이 정상임을 확인하고, GPS 상태가 정상임을 확인한다. 이후 IMU를 정렬하고 RF 무선 송수신기를 예열한다.
운용 상태에서는 SAR 임무를 수행하며, 고장 상태에서는 BIT 고장을 식별하고 운용을 중단한다.
무인 비행체는, 합성 개구 레이더에 연결된 김발 장치, 김발 장치에 연결된 항법 제어 장치, 및 합성 개구 레이더에 연결된 무선 송수신기를 포함한다. 항법 제어 장치의 내부에 위성 항법 모듈 및 관성 측정 모듈이 설치될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 상태 천이 로직을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 초기 상태에서 SAR에 전원이 공급되고 구성품에 전원이 인가되며 고장 식별을 위한 BIT 점검을 수행한다.
무인 비행체는, 초기 상태에서 비행을 하지 않고 합성 개구 레이더, 김발 장치, 항법 제어 장치, 및 무선 송수신기에 전원을 공급한 후 자체 점검을 수행한다(S21). 준비 상태에서 출발 지점부터 임무 고도 범위까지 상승 비행하거나 임무 고도 범위부터 복귀 지점으로 하강 비행한다. 운용 상태에서 임무 고도 범위를 만족하면서 비행할 수 있다.
무인 비행체는, 초기 상태에서 (i) 위성 항법 모듈이 감지한 항법 위성의 개수가 기준 개수를 만족한 상태인 제1 조건, (ii) 관성 측정 모듈이 정렬을 완료한 상태인 제2 조건, 및 (iii) 무선 송수신기가 예열을 완료한 상태인 제3 조건을 만족하면(S23), 초기 상태에서 준비 상태로 전환할 수 있다. 예컨대, GPS 위성 감지수가 5개 이상, IMU가 초기 정렬 상태, 무선 송수신기가 예열 완료 된 경우 준비 상태로 전환한다. 고장 상태에서는 BIT 고장을 식별하고 운용을 중단한다.
무인 비행체는 MDF를 확인하고(S24), 임무 고도 범위에 도달 여부를 확인한다(S25). 준비 상태에서 임무 고도 범위에 도달하면(S26), 임무 경로 및 임무 영역을 촬영하는 상황을 고려하여 예측된 전원 사용량을 기준으로 잔여 시간을 산출하고, 잔여 시간을 카운트한다(S27). 잔여 시간을 외부 연동 모의 장비로 전송하고, 준비 상태에서 운용 상태로 전환할 수 있다. 준비 상태에서 MDF를 확인하고 임무 고도 도달을 확인한다. 임무 고도에 도달하면 촬영 잔여 시간을 카운트 하고 운용 상태로 전환한다. 운용 상태에서는 SAR 임무를 수행하며, 임무 수행 완료 후 종료된다.
무인 비행체는, 운용 상태에서 자체 점검을 다시 수행한 결과 고장을 감지하거나(S28) (i) 위성 항법 모듈이 감지한 항법 위성의 개수가 기준 개수를 만족한 상태인 제1 조건을 만족하지 않거나 (ii) 관성 측정 모듈이 정렬을 완료한 상태인 제2 조건을 만족하지 않으면(S29), 운용 상태에서 고장 상태로 전환한다. 해당하는 조건을 구분하여 나타내는 플래그를 포함하는 고장 상태 메시지를 외부 연동 모의 장비로 전송할 수 있다.
무인 비행체는 (i) 제1 합성 개구 레이더가 장착되며 제1 SAR 데이터를 생성하는 제1 무인 비행체 및 (ii) 제2 합성 개구 레이더가 장착되며 제2 SAR 데이터를 생성하는 제2 무인 비행체를 포함할 수 있다.
제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체 중에서 하나의 무인 비행체가 고장 상태이면, 고장 상태가 아닌 다른 무인 비행체로 SAR 데이터를 전송한다(S31). 고장 상태에 해당하는 무인 비행체는 SAR 데이터를 백업하거나 파기한다(S32).
다른 무인 비행체는 수신한 SAR 데이터를 저장한다. 전원 사용량 및 저장 공간을 기준으로 잔여 시간을 재산출하고, 재산출한 잔여 시간을 외부 연동 모의 장비로 전송할 수 있다.
제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체 중에서 하나의 무인 비행체가 고장 상태이고, 고장 상태인 무인 비행체의 임무 개수가 남은 상태이면, 고장 상태가 아닌 다른 무인 비행체로 남은 임무를 전송한다. 다른 무인 비행체는 남은 임무에 따른 임무 경로 및 임무 영역이 다른 무인 비행체 자신의 임무 경로 및 임무 영역과 일부 중복되지 않아서, 상기 전원 사용량 및 저장 공간을 기준으로 잔여 시간을 재산출한 결과, 자신의 임무 경로 및 임무 영역을 전부 수행할 수 없는 상태이면, 우선적으로 수행할 임무를 요청하는 메시지를 외부 연동 모의 장비로 전송할 수 있다.
다른 무인 비행체가 외부 연동 모의 장비로부터 응답 메시지를 수신하지 못하면, 잔여 시간 동안 자신의 임무 경로 및 임무 영역을 우선적으로 수행하고, 남은 임무에 따른 임무 경로 및 임무 영역 중에서 가까운 경로 및 영역부터 수행할 수 있다.
제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체 각각은 위성 항법 모듈이 감지한 항법 위성의 개수가 제1 조건을 만족하지 않으면, 감지한 항법 위성의 식별번호 및 제1 조건을 나타내는 플래그를 포함하는 고장 상태 메시지를 외부 연동 모의 장비로 전송하고, 외부 연동 모의 장비는 제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체 각각이 감지한 항법 위성의 일부가 달라서, 제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체 모두가 감지한 항법 위성의 개수가 제1 조건을 만족하면, 제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체로 위성 항법 정보의 보완이 가능하다는 것을 나타내는 메시지를 전송한다. 제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체 간에 위성 항법 정보를 전송하여 위성 항법 정보를 공유하고, 부족한 항법 위성 정보를 보완하고, 위성 항법 정보를 보완했음을 나타내는 메시지를 외부 연동 모의 장비로 전송할 수 있다. 예컨대, 제1 무인 비행체의 위성 항법 모듈이 감지한 위성 1 내지 위성 4, 제1 무인 비행체의 위성 항법 모듈이 감지한 위성 2 내지 위성 5라면, 전체 위성 1 내지 위성 5에 해당하여 위성 개수 5개를 만족한다.
제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 각각은 감지한 항법 위성의 식별번호 및 제1 조건을 나타내는 플래그를 포함하는 고장 상태 메시지를 상호 전송하고, 제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체는 제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체 각각이 감지한 항법 위성의 일부가 달라서, 제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체 모두가 감지한 항법 위성의 개수가 제1 조건을 만족하면, 제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체 간에 위성 항법 정보의 보완이 가능하다는 것을 나타내는 메시지를 전송한다. 제1 무인 비행체 및 제2 무인 비행체 간에 위성 항법 정보를 전송하여 위성 항법 정보를 공유하고, 부족한 항법 위성 정보를 보완하고, 위성 항법 정보를 보완했음을 나타내는 메시지를 외부 연동 모의 장비로 전송할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 임무 경로 및 임무 영역을 예시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템은 Stripmap 모드로 동작할 수 있으며, Stripmap 모드는 방위각을 일정하게 고정하고 비행 방향에 수직으로 관측하는 모드이다.
MDF (Mission Definition File) 내용은 1. 임무 시작 위치 (경도, 위도, 고도), 2. 임무 종료 위치(경도, 위도, 고도), 3. 영상 중심점(경도, 위도, 고도)를 포함한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 시스템의 출력 화면을 예시한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이 BIT 정보를 확인할 수 있고, 항법 제어 장치, 무선 송수신기, 김발 장치, GNSS, IMU의 이상 상태 여부를 확인할 수 있다.
요구 설계에 따라 빔 패턴(shape), 지향 손실, 레이돔 손실, 송수신 손실, 수신기 잡음 지수를 설정한다. 요구 설계에 따라 최대 탐지 거리, 해상도, 송/수신 이득을 설정한다.
항법 제어장치와 RF 무선 송수신기는 표적 모의 장비로 기준 신호와 타이밍 신호를 전송하고, RF 송신 신호와 표적 모의 신호를 주고 받는다.
계측기와 RF 송신 신호와 표적 모의 신호를 기반으로 RF 송수신 신호 파형을 분석한다.
항법 제어장치와 RF 무선 송수신기는 지상 신호 처리 장비로 SAR RAW 데이터를 전송한다.
항법 제어장치와 RF 무선 송수신기는 안테나 장치, 김발 장치와 지향각 명령/결과와 전원, 상태 정보를 주고 받는다.
지상 신호 처리장비는 Backprojection 알고리즘의 실시간 성능확보 가능성 확인을 위한 GPU 기반 신호 처리 알고리즘을 포함한다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구 범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
10: 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 장치
100: 안테나 장치
200: 김발 장치
300: 항법 제어 장치
400: 무선 송수신기
500: 신호 처리 장비
600: 외부 연동 모의 장비
700: 표적 모의 장비

Claims (11)

  1. 영상 레이더 시스템에 있어서,
    합성 개구 레이더(Synthetic Aperture Radar, SAR)가 장착되며 SAR 데이터를 생성하는 무인 비행체;
    상기 무인 비행체와 통신하며 상기 SAR 데이터를 수신하는 신호 처리 장비; 및
    상기 무인 비행체와 통신하며 임무 파일을 전송하는 외부 연동 모의 장비를 포함하며,
    상기 무인 비행체는 초기 상태, 준비 상태, 운용 상태, 또는 고장 상태로 현재 상태를 구분하고, 상기 준비 상태에서 상기 임무 파일을 분석하고, 상기 운용 상태에서 상기 임무 파일을 분석한 결과에 따른 임무 경로 및 임무 영역에 대해서 상기 SAR 데이터를 생성하며,
    상기 무인 비행체는 (i) 제1 합성 개구 레이더가 장착되며 제1 SAR 데이터를 생성하는 제1 무인 비행체 및 (ii) 제2 합성 개구 레이더가 장착되며 제2 SAR 데이터를 생성하는 제2 무인 비행체를 포함하며,
    상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 중에서 하나의 무인 비행체가 상기 고장 상태이면, 고장 상태가 아닌 다른 무인 비행체로 SAR 데이터를 전송하고,
    상기 다른 무인 비행체는 수신한 SAR 데이터를 저장하고, 전원 사용량 및 저장 공간을 기준으로 잔여 시간을 재산출하고, 상기 재산출한 잔여 시간을 상기 외부 연동 모의 장비로 전송하는 것을 특징으로 하는 영상 레이더 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무인 비행체는,
    상기 합성 개구 레이더에 연결된 김발 장치;
    상기 김발 장치에 연결된 항법 제어 장치; 및
    상기 합성 개구 레이더에 연결된 무선 송수신기를 포함하고,
    상기 항법 제어 장치의 내부에 위성 항법 모듈 및 관성 측정 모듈이 설치되는 것을 특징으로 하는 영상 레이더 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 무인 비행체는,
    상기 초기 상태에서 비행을 하지 않고 상기 합성 개구 레이더, 상기 김발 장치, 상기 항법 제어 장치, 및 상기 무선 송수신기에 전원을 공급한 후 자체 점검을 수행하고,
    상기 준비 상태에서 출발 지점부터 임무 고도 범위까지 상승 비행하거나 상기 임무 고도 범위부터 복귀 지점으로 하강 비행하고,
    상기 운용 상태에서 상기 임무 고도 범위를 만족하면서 비행하는 것을 특징으로 하는 영상 레이더 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 무인 비행체는,
    상기 초기 상태에서 (i) 상기 위성 항법 모듈이 감지한 항법 위성의 개수가 기준 개수를 만족한 상태인 제1 조건, (ii) 상기 관성 측정 모듈이 정렬을 완료한 상태인 제2 조건, 및 (iii) 상기 무선 송수신기가 예열을 완료한 상태인 제3 조건을 만족하면, 상기 초기 상태에서 상기 준비 상태로 전환하는 것을 특징으로 하는 영상 레이더 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 무인 비행체는,
    상기 준비 상태에서 임무 고도 범위에 도달하면, 상기 임무 경로 및 상기 임무 영역을 촬영하는 상황을 고려하여 예측된 전원 사용량을 기준으로 잔여 시간을 산출하고, 상기 잔여 시간을 카운트하고, 상기 잔여 시간을 상기 외부 연동 모의 장비로 전송하고, 상기 준비 상태에서 상기 운용 상태로 전환하는 것을 특징으로 하는 영상 레이더 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 무인 비행체는,
    상기 운용 상태에서 자체 점검을 다시 수행한 결과 고장을 감지하거나 (i) 상기 위성 항법 모듈이 감지한 항법 위성의 개수가 기준 개수를 만족한 상태인 제1 조건을 만족하지 않거나 (ii) 상기 관성 측정 모듈이 정렬을 완료한 상태인 제2 조건을 만족하지 않으면, 상기 운용 상태에서 상기 고장 상태로 전환하고, 해당하는 조건을 구분하여 나타내는 플래그를 포함하는 고장 상태 메시지를 상기 외부 연동 모의 장비로 전송하는 것을 특징으로 하는 영상 레이더 시스템.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 중에서 하나의 무인 비행체가 상기 고장 상태이고, 상기 고장 상태인 무인 비행체의 임무 개수가 남은 상태이면, 고장 상태가 아닌 다른 무인 비행체로 남은 임무를 전송하고,
    상기 다른 무인 비행체는 상기 남은 임무에 따른 임무 경로 및 임무 영역이 상기 다른 무인 비행체 자신의 임무 경로 및 임무 영역과 일부 중복되지 않아서, 상기 전원 사용량 및 상기 저장 공간을 기준으로 잔여 시간을 재산출한 결과, 상기 자신의 임무 경로 및 임무 영역을 전부 수행할 수 없는 상태이면, 우선적으로 수행할 임무를 요청하는 메시지를 상기 외부 연동 모의 장비로 전송하는 것을 특징으로 하는 영상 레이더 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다른 무인 비행체가 상기 외부 연동 모의 장비로부터 응답 메시지를 수신하지 못하면, 상기 잔여 시간 동안 상기 자신의 임무 경로 및 임무 영역을 우선적으로 수행하고, 상기 남은 임무에 따른 임무 경로 및 임무 영역 중에서 가까운 경로 및 영역부터 수행하는 것을 특징으로 하는 영상 레이더 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 각각은 상기 위성 항법 모듈이 감지한 항법 위성의 개수가 상기 제1 조건을 만족하지 않으면, 상기 감지한 항법 위성의 식별번호 및 상기 제1 조건을 나타내는 플래그를 포함하는 고장 상태 메시지를 상기 외부 연동 모의 장비로 전송하고,
    상기 외부 연동 모의 장비는 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 각각이 감지한 항법 위성의 일부가 달라서, 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 모두가 감지한 항법 위성의 개수가 상기 제1 조건을 만족하면, 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체로 상기 위성 항법 정보의 보완이 가능하다는 것을 나타내는 메시지를 전송하고,
    상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 간에 상기 위성 항법 정보를 전송하여 상기 위성 항법 정보를 공유하고, 부족한 항법 위성 정보를 보완하고, 상기 위성 항법 정보를 보완했음을 나타내는 메시지를 상기 외부 연동 모의 장비로 전송하는 것을 특징으로 하는 영상 레이더 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 각각은 상기 감지한 항법 위성의 식별번호 및 상기 제1 조건을 나타내는 플래그를 포함하는 고장 상태 메시지를 상호 전송하고,
    상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체는 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 각각이 감지한 항법 위성의 일부가 달라서, 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 모두가 감지한 항법 위성의 개수가 상기 제1 조건을 만족하면, 상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 간에 상기 위성 항법 정보의 보완이 가능하다는 것을 나타내는 메시지를 전송하고,
    상기 제1 무인 비행체 및 상기 제2 무인 비행체 간에 상기 위성 항법 정보를 전송하여 상기 위성 항법 정보를 공유하고, 부족한 항법 위성 정보를 보완하고, 상기 위성 항법 정보를 보완했음을 나타내는 메시지를 상기 외부 연동 모의 장비로 전송하는 것을 특징으로 하는 영상 레이더 시스템.
KR1020200125931A 2019-10-01 2020-09-28 초경량 소형의 무인 이동체용 영상 레이더 장치 및 시스템 KR102202626B1 (ko)

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