KR102402955B1 - 빙하추적 시스템 - Google Patents

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안태규
고지혜
이주한
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윤동진
김형권
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한국해양과학기술원
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Abstract

본 발명의 일실시 형태에서는, 진공형 및 방수형 케이스 구조로 형성되어 극저온에 따른 결로 현상을 방지하고 내습 및 방진을 위한 흡수재가 충전된 케이스와, 상기 케이스의 내부에 수납될 수 있으며, 빙하의 현재위치를 추적하기 위한 GPS 안테나 및 위성과 통신을 위한 위성통신 안테나와, 상기 케이스의 내부에 수납되었다가 상기 케이스의 외부로 노출될 수 있으며, 상기 GPS 안테나를 통해 GPS 신호를 송수신하는 GPS 모듈과, 상기 케이스의 내부에 배치되며 상기 위성통신 안테나를 통해 위성과 통신을 수행하는 위성통신 모듈과, 상기 케이스의 내부에 배치되며 빙하에 발생되는 진동을 측정하는 가속도 센서 모듈과, 상기 케이스의 내부에 배치되며, 상기 GPS 모듈, 위성통신 모듈 및 가속도센서 모듈에 전원을 공급하는 배터리 모듈, 상기 케이스의 내부에 배치되며, 상기 GPS 모듈, 위성통신 모듈, 가속도센서 모듈, 및 배터리 모듈의 작동을 제어하는 MCU 모듈, 및 상기 케이스의 하부에 형성되며, 상기 케이스를 빙하에 고정시키기 위한 고정부를 포함하는 빙하추적 시스템을 제공할 수 있다.

Description

빙하추적 시스템{GLACIER TRACKING SYSTEM}
본 발명은 빙하추적 시스템으로서, 빙하의 위치를 추적하기 위해 빙하에 고정시켜 빙하의 진동이나 움직임에 대한 정보를 장기간에 걸쳐 수집할 수 있는 빙하추적 시스템에 관한 것이다.
현재 국내 극지연구소를 포함한 전 세계 극지방에 관측 기지를 운영하고 있는 여러 나라들은 관측기지 주변의 대기환경 변화에 대한 분석 및 예측을 위한AWS(Autometic Weather Station)을 구축하여 운용중이다. 관측 기지 내 운용중인 자동 기상 관측시스템은 자체 발전전력을 이용하여 외부의 전력 공급 없이 운용하고 있다.
남극 지역에 10여개의 AWS가 설치 운영되고 있으며 기상 자료를 제공하고 있다. 하지만, 극지방에서 발생하는 결빙(rime formation)과 low temperature(-60℃이하)로 인한 장비의 고장과 데이터 결측이 수시로 발생하고 있다. AWS를 이용한 연구를 위해, 정기적으로 AWS 수리를 하였고 그 결과 약 80%의 자료관측과 전송이이루어졌다. 하지만 전송되어진 자료의 질을 살펴보면 겨울철에는 모든 관측센서(기온/습도, 풍향/풍속, 기압 등)의 기능이 현저히 저하되어 오류데이터가 상당히 포함되어 있다.
IMBBS(The Ice Mass Balance Buoy System)는 설치현장인 유빙 및 빙하에 설치인력이 장비를 공급해 빙하에 고정 가능한 구멍을 가공한 뒤 장비를 설치하여 대기온도, 표면온도, 층별 빙하온도, 해수온도를 측정 가능하도록 구성한 장비를 말한다. 그런데, 이러한 유빙에 설치하는 장비로 상부 대기온도, 빙하온도, 해수의 온도가 각각 달라 장비의 내구성에 영향을 끼쳐 장기적 관측에 불리하고 안테나가 외부로 노출되어 외부영향에 의한 파손위험이 크다. 또한, 고가의 장비와 배터리를 사용하게 되면 장기간 운용이 어려우며 고가의 장비 설치로 인한 다수의 장비설치에 대한 비용이 증가하고 있다.
선행문헌 : 한국등록특허 10-2101065
선행문헌은 '극지방 적응형 환경 통합 계측 시스템'에 관한 것으로서, 극지환경 분석서버; 극지방에서의 극지 환경을 감지하고, 감지된 극지 환경정보를 송신하는 극지 통합 계측장치; 및 상기 극지 통합 계측장치에서 감지된 상기 극지 환경정보를 상기 극지 통합 계측장치로부터 수신하여 상기 데이터 센터로 전송하는 인공 위성을 포함하고, 상기 극지 통합 계측장치는, 상기 극지방에서 다양한 극지 환경들을 감지하는 복수의 센서들; 상기 복수의 센서들과 각각 연결하기 위한 복수의 연결 포트들을 포함하는 터미널 보드; 상기 인공 위성과 위성 통신을 수행하는 위성 통신 모듈과 GPS 모듈을 포함하는 위성 통신 보드; 상기 복수의 센서들에 대한 입력 신호 및 출력 신호를 아날로드 및 디지털 변환하는 컨버터와 멀티플렉싱을 수행하는 멀티플렉서를 포함하는 신호 처리 보드; 상기 터미널 보드, 상기 위성 통신 보드 및 상기 신호 처리 보드 중 적어도 하나 이상의 동작을 제어하는 제어 보드; 상기 복수의 센서들, 상기 위성 통신 보드, 상기 신호 처리 보드 및 상기 제어 보드 중 적어도 하나 이상에 전원을 공급하는 전원 공급 모듈; 및 상기 터미널 보드, 상기 위성 통신 보드, 상기 신호 처리 보드, 상기 제어 보드 및 상기 전원 공급 모듈을 실장하는 하우징을 포함하는 극지 통합 계측장치를 개시하고 있다.
하지만 여전히, 극지방의 악천후에 의한 환경정보 수집에는 어려움이 있으며, 주로 배터리의 수명 및 악천후에 노출된 안테나 등에 문제가 발생되고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명의 일실시형태에서는, 안테나를 상케이스의 내부에 수납되도록 하여 안테나가 외부에 노출되는 시간을 줄여 외부환경으로부터 안테나를 보호함으로서 작동 오류를 줄이고 작동수명을 연장할 수 있는 빙하추적 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시 형태에서는, 진공형 및 방수형 케이스 구조로 형성되어 극저온에 따른 결로 현상을 방지하고 내습 및 방진을 위한 흡수재가 충전된 케이스와, 상기 케이스의 내부에 수납될 수 있으며, 빙하의 현재위치를 추적하기 위한 GPS 안테나 및 위성과 통신을 위한 위성통신 안테나와, 상기 케이스의 내부에 수납되었다가 상기 케이스의 외부로 노출될 수 있으며, 상기 GPS 안테나를 통해 GPS 신호를 송수신하는 GPS 모듈과, 상기 케이스의 내부에 배치되며 상기 위성통신 안테나를 통해 위성과 통신을 수행하는 위성통신 모듈과, 상기 케이스의 내부에 배치되며 빙하에 발생되는 진동을 측정하는 가속도 센서 모듈과, 상기 케이스의 내부에 배치되며, 상기 GPS 모듈, 위성통신 모듈 및 가속도센서 모듈에 전원을 공급하는 배터리 모듈, 상기 케이스의 내부에 배치되며, 상기 GPS 모듈, 위성통신 모듈, 가속도센서 모듈, 및 배터리 모듈의 작동을 제어하는 MCU 모듈, 및 상기 케이스의 하부에 형성되며, 상기 케이스를 빙하에 고정시키기 위한 고정부를 포함하는 빙하추적 시스템을 제공할 수 있다.
상기 MCU 모듈은, 상기 배터리 모듈을 주기적으로 작동시키고, 작동이외의 시간은 슬립모드로 유지시킬 수 있다.
상기 MCU 모듈은, 상기 배터리 모듈의 배터리 잔량이 소정값 이하이면, 상기 배터리 모듈의 작동모드 변환 주기를 길게 조절할 수 있다.
상기 GPS 안테나는 상기 배터리 모듈의 작동시에만 외부로 노출될 수 있다.
상기 빙하추적 시스템은, 상기 GPS 안테나를 지지하며, 상기 GPS 안테나를 상기 케이스의 외부로 돌출시켰다가 상기 케이스 내부로 수납할 수 있는 길이 조절부를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 케이스의 상부에는 상기 길이 조절부가 출입할 수 있는 개구부, 및 상기 개구부를 커버하며 상기 길이 조절부가 출입할 수 있도록 유연성을 갖는 마개부를 더 포함할 수 있다.
상기 길이조절부에는, 상기 케이스의 상부에 적설된 눈의 높이를 측정할 수 있는 센서를 더 포함하며, 상기 빙하추적 시스템은 상기 안테나의 노출높이를 상기 적설된 눈의 높이보다 높게 조절할 수 있다.
본 발명의 일실시형태에 따르면, 안테나를 상케이스의 내부에 수납되도록 하여 안테나가 외부에 노출되는 시간을 줄여 외부환경으로부터 안테나를 보호함으로서 작동 오류를 줄이고 작동수명을 연장할 수 있는 빙하추적 시스템을 얻을 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 빙하추적 시스템의 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 빙하추적 시스템에서, MCU 모듈의 작동순서를 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 빙하추적 시스템의 구성도이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 빙하추적 시스템의 주변 환경에 따른 작동상태를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 빙하추적 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시 형태에 따른 빙하추적 시스템(100)은, 케이스(110), 안테나(120), GPS 모듈(130), 위성통신 모듈(140), 가속도센서 모듈(150), MCU(160), 배터리 모듈(170), 및 고정부(180)를 포함할 수 있다.
상기 케이스(110)는, 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템을 구성하는 구성요소들이 내부에 실장 또는 거치될 수 있으며, 진공형 및 방수형 케이스 구조로 형성되어 극저온에 따른 결로 현상을 방지하고 내습 및 방진을 위한 흡수재가 충전될 수 있다. 상기 케이스(110)는 외부온도 및 충격에 견딜 수 있는 내구성이 강한 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 케이스는 하부 및 커버부로 구현되어 간단한 조립 및 결합이 가능한 탈착구조로 형성될 수 있다. 상기 케이스는 알루미늄 재질이나 PC 재질로 구현될 수 있다. 상기 케이스 내부에는 방온을 위한 질소충전을 할 수 있으며, 방진을 위한 흡수재가 충전될 수 있다. 케이스를 진공형으로 형성함으로써 극지방의 낮은 외부온도에 따른 결로 현상을 방지할 수 있고, 방수형 하우징 구조에 의해 내습 및 방진 효과를 얻을 수 있다.
안테나(120)는 GPS 안테나(121) 및 위성통신 안테나(122)를 포함할 수 있다. 상기 GPS 안테나(121) 및 위성통신 안테나(122)는, 상기 케이스(110)의 내부에 수납되었다가 상기 케이스의 외부로 노출될 수 있다. 상기 GPS 안테나(121)는 빙하의 현재위치를 추적하기 위해 GPS 위성과 신호를 송수신할 수 있으며, 상기 위성통신 안테나(122)는 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템에서 획득된 정보를 이리듐 위성에 전송할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 안테나(120)는 케이스의 내부에 수납되었다가 케이스의 외부로 노출될 수 있다. 안테나를 케이스의 내부에 수납함으로써, 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템이 설치되는 극지방의 눈이나 바람 등 극한의 외부환경으로부터 안테나를 보호할 수 있다.
GPS 모듈(130)은, 상기 케이스의 내부에 배치되며 상기 GPS 안테나(121)를 통해 GPS 신호를 송수신할 수 있다. 상기 GPS 모듈(130)은 복수의 GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신하고, 각 GPS 위성으로부터 신호 도달에 걸리는 시간을 이용하여 각 위성과의 거리를 산출하고, 현재 시스템의 위치를 산출할 수 있다. GPS 모듈은 현재 위치를 산출하는 방식으로 단순 GPS 측위방식, DGPS(Differential GPS) 측위방식, A-GPS(Assisted GPS) 측위방식, 이중차분방정식에 의한 측위방식 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
위성통신모듈(140)은, 상기 케이스의 내부에 배치되며 상기 위성통신 안테나를 통해 위성과 통신을 수행할 수 있다. 상기 위성통신모듈(140)은 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템에서 측정된 데이터를 인공위성으로 전송할 수 있도록 위성 신호로 변환하며, 변환된 위성 신호를 상기 위성통신 안테나(122)를 통해 인공위성으로 송신할 수 있다. 상기 위성통신모듈(140)은 복수개의 인공위성 중 송수신 상태가 양호한 인공위성을 선택하여 통신을 수행할 수 있다. 상기 위성통신모듈은 이리듐(Iridium) 위성 또는 아르고(Argo) 위성 등을 이용한 데이터 송수신을 지원할 수 있다.
가속도 센서 모듈(150)은, 상기 케이스의 내부에 배치되며 빙하에 발생되는 진동을 측정할 수 있다. 가속도란 단위 시간당 속도를 뜻하며, 가속도 센서 모듈(150)은 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템이 설치된 빙하의 가속도를 측정함으로써 빙하의 기울기나 진동 등의 정보를 계측할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 가속도 센서 모듈(150)은 MEMS 기술을 이용한 정전용량 방식의 가속도 센서가 사용될 수 있다. 본 실시형태에서의 가속도 센서 소자는 Si로 만들어진 고정전극과 가동전극, 및 스프링으로 구성될 수 있다. 가속도가 가해지지 않은 상태에서는 고정전극과 가동 전극 사이의 거리가 동일하나, 가속도가 인가되면 가동 전극이 변위하여 고정전극과의 위치관계에 변화가 생김에 따라 전극간 용량이 변하게 된다. 이렇게 발생한 용량 변화를 ASIC(Application Specific Integreated Circuit)을 통해 전압으로 변환하여 가속도를 산출할 수 있다.
배터리 모듈(170)은, 상기 케이스의 내부에 배치되며, 상기 GPS 모듈, 위성통신 모듈 및 가속도센서 모듈에 전원을 공급할 수 있다. 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템(100)은 한번 빙하에 고정되면 최소 1년 이상을 외부 전원 공급없이 빙하의 위치나 가속도 변화 등에 대한 정보를 수집하여 인공위성으로 정보를 전송하는 역할을 하여야 한다. 따라서, 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템에 사용되는 배터리 모듈(170)은 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템이 극지방의 기온 조건에서 1년 이상 작동할 수 있을 정도의 넉넉한 전력용량을 충전할 수 있어야 한다.
MCU 모듈(160)은, 상기 케이스의 내부에 배치되며, 상기 GPS 모듈, 위성통신 모듈, 가속도센서 모듈, 및 배터리 모듈의 작동을 제어할 수 있다. 상기 MCU 모듈(160)은 상기 GPS 모듈(130), 위성통신 모듈(140), 가속도센서 모듈(150), 및 배터리 모듈(170)에 각각 연결되어 상기 배터리 모듈의 전원을 상기 GPS 모듈, 위성통신 모듈, 및 가속도센서 모듈에 각각 전달할 수 있다. 또한, 상기 각각의 모듈로부터 측정된 정보를 저장 및 외부로 전송하는 것을 제어할 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 MCU 모듈(160)은, 상기 배터리 모듈을 주기적으로 작동시키고, 작동이외의 시간은 슬립모드로 유지시킬 수 있다. 상기 배터리 모듈을 주기적으로 작동시킨다는 의미는, 상기 배터리 모듈로부터 전원을 공급받는 GPS 모듈, 위성통신 모듈, 및 가속도 센서 모듈을 주기적으로 작동시킨다는 의미와 동일할 수 있다. 또한, 상기 배터리 모듈을 주기적으로 작동시킨다는 의미는 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템이 슬립모드에서 주기적으로 작동모드로 전환된다는 의미일 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템(100)은 최소 1년 이상을 외부 전원의 공급없이 내장된 배터리 모듈에 의해 작동을 유지하여야 한다. 따라서, 상기 배터리 모듈에 충분한 전원을 충전하였다고 하더라도 상기 배터리 모듈의 효율적인 운영이 필요하다. 이를 위해서, 본 실시형태에서는 MCU 모듈(160)이 배터리 모듈(170)을 슬립모드로 운영하면서 설정된 시간에만 작동모드로 작동하여 전체 시스템이 운영되도록 할 수 있다. 예를 들어, 본 실시형태에서 상기 MCU 모듈(160)은 상기 배터리 모듈이 슬립모드를 유지하면서 6시간마다 작동모드로 작동하도록 제어할 수 있다. 이렇게 하면 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템(100)은 하루에 4번만 작동모드로 작동할 수 있다. 또한, 상기 작동모드 지속시간을 미리 정해 놓으면 상기 정해진 시간만큼만 빙하추적 시스템이 동작하여 GPS 신호 수신 및 저장, 가속도 정보 수신 및 저장, 저장된 데이터를 위성통신 등의 작동을 수행하고 다시 슬립모드로 전환될 수 있다. 본 실시형태에서는, MCU 모듈의 작동시간 제어에 의해 배터리 모듈의 효율적인 운영 및 전력소모를 최소화함으로써 배터리 모듈의 운영 지속시간을 늘릴 수 있다.
고정부(180)는, 상기 케이스의 하부에 형성되며, 상기 케이스를 빙하에 고정시킬 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 고정부(180)는, 케이스의 하면에서 돌출형성된 송곳 형태일 수 있다. 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템(100)은 드론이나 헬기를 이용하여 이송한 후 빙하에 거치시킬 수 있다. 이 때, 상기 고정부(180)가 빙하 표면을 뚫고 들어감으로써 상기 빙하추적 시스템(100)이 빙하에 단단하게 고정될 수 있다. 본 실시형태에서는 하나의 긴 송곳 형태로 고정부를 도시하였으나, 상기 빙하추적 시스템이 상기 빙하의 표면에서 미끄러지거나 흘러가는 것을 방지할 수 있다면 상기 고정부의 형태는 다양하게 구현될 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 빙하추적 시스템에서, MCU 모듈의 작동순서를 나타내는 도면이다. 본 실시형태에서 MCU 모듈은, 상기 도 1의 실시형태에서 설명한 빙하추적 시스템 내에서의 MCU 모듈이며, 다른 구성요소들도 도 1에서 설명한 바와 동일하다.
본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템에서, MCU 모듈은 빙하추적 시스템의 작동시간을 효율적으로 관리하기 위해 배터리 모듈을 주기적으로 작동시키고, 작동이외의 시간은 슬립모드로 유지시킬 수 있다. 상기 배터리 모듈을 주기적으로 작동시킨다는 의미는, 상기 배터리 모듈로부터 전원을 공급받는 GPS 모듈, 위성통신 모듈, 및 가속도 센서 모듈을 주기적으로 작동시킨다는 의미와 동일할 수 있다. 또한, 상기 배터리 모듈을 주기적으로 작동시킨다는 의미는 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템이 슬립모드에서 주기적으로 작동모드로 전환된다는 의미일 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템은 최소 1년 이상을 외부 전원의 공급없이 내장된 배터리 모듈에 의해 작동을 유지하여야 한다. 따라서, 상기 배터리 모듈에 충분한 전원을 충전하였다고 하더라도 상기 배터리 모듈의 효율적인 운영이 필요하다.
본 실시형태에서는 MCU 모듈이 슬립모드에서 작동모드(웨이크업모드)로 전환된 이후의 작동순서를 도시하였다.
본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템여서 MCU 모듈은 슬립모드에서 작동모드(웨이크업 모드)로 전환될 수 있다(201). 예를 들어, 본 실시형태에서 상기 MCU 모듈은 상기 배터리 모듈이 슬립모드를 유지하면서 6시간마다 작동모드로 작동하도록 제어할 수 있다. 이렇게 하면 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템은 하루에 4번만 작동모드로 작동할 수 있다.
작동모드로 전환된 MCU 모듈은 GPS 모듈을 작동(202)시킬 수 있다. 즉, 배터리 모듈의 전원을 GPS 모듈로 전달하여 GPS 모듈이 작동하도록 할 수 있다. 본 실시예에서는 GPS 모듈에 대해서만 기재하였으나, 본 실시형태의 빙하추적 시스템 내에 탑재되는 GPS 모듈 뿐만 아니라 위성통신모듈, 가속도 센서모듈 등에 대해서도 배터리모듈로부터 전원을 공급시켜 각각 작동하도록 할 수 있다. 상기 GPS 모듈 작동(202)단계에서 GPS 모듈의 작동 시간은 MCU 모듈에서 미리 설정된 시간만큼만 작동될 수 있다. 상기 작동모드 지속시간을 미리 정해 놓으면 상기 정해진 시간만큼만 빙하추적 시스템이 동작하여 GPS 신호 수신 및 저장, 가속도 정보 수신 및 저장, 저장된 데이터를 위성통신 등의 작동을 수행하고 다시 슬립모드로 전환될 수 있다.
상기 설정된 시간만큼 빙하추적 시스템을 작동시킨 후, 슬립모드로 전환되기 전에 MCU 모듈은 배터리 상태를 체크(203)할 수 있다. 즉, 배터리 모듈의 배터리 잔량값을 확인할 수 있다. 이 때 배터리 모듈의 배터리 잔량값이 소정값 이상이면 배터리 상태를 정상으로 판단하고 슬립모드로 전환(205)될 수 있다.
그러나, 배터리 모듈의 배터리 잔량값이 소정값 이하이면 MCU 모듈은 상기 빙하추적 시스템을 저전력 모드로 전환할 수 있다. 즉, 기존에 설정된 GPS 모듈 작동 주기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 빙하 추적시스템에서 최초에는 6시간마다 작동모드로 전환하여 GPS 모듈을 작동시키도록 설정하였더라도, 본 단계에서 배터리 잔량값이 소정값 이하로 측정되면 슬립모드에서 작동모드로 전환되는 시간을 12시간으로 조절할 수 있다. 따라서, 하루에 4번 슬립모드에서 작동모드로 전환되던 시스템이 하루에 2번 작동모드로 전환되어 작동함으로써 작동에 따른 전력소모를 줄일 수 있다. 이렇게 함으로써 빙하추적 시스템을 효율적으로 운영할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 빙하추적 시스템의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 빙하추적 시스템(300)은, 케이스(310), 안테나(320), GPS 모듈(330), 위성통신 모듈(340), 가속도센서 모듈(350), MCU(360), 배터리 모듈(370), 고정부(380), 및 길이조절부(390)를 포함할 수 있다.
상기 케이스(310)는, 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템을 구성하는 구성요소들이 내부에 실장 또는 거치될 수 있으며, 진공형 및 방수형 케이스 구조로 형성되어 극저온에 따른 결로 현상을 방지하고 내습 및 방진을 위한 흡수재가 충전될 수 있다. 상기 케이스(310)는 외부온도 및 충격에 견딜 수 있는 내구성이 강한 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 케이스는 하부 및 커버부로 구현되어 간단한 조립 및 결합이 가능한 탈착구조로 형성될 수 있다. 상기 케이스는 알루미늄 재질이나 PC 재질로 구현될 수 있다. 상기 케이스 내부에는 방온을 위한 질소충전을 할 수 있으며, 방진을 위한 흡수재가 충전될 수 있다. 케이스를 진공형으로 형성함으로써 극지방의 낮은 외부온도에 따른 결로 현상을 방지할 수 있고, 방수형 하우징 구조에 의해 내습 및 방진 효과를 얻을 수 있다.
안테나(320)는 GPS 안테나 및 위성통신 안테나를 포함할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 GPS 안테나 및 위성통신 안테나는 상기 안테나(320) 위치에 각각 별도의 구성으로 형성될 수 있다. 상기 GPS 안테나 및 위성통신 안테나는, 상기 케이스(310)의 내부에 수납되었다가 상기 케이스의 외부로 노출될 수 있다. 상기 GPS 안테나는 빙하의 현재위치를 추적하기 위해 GPS 위성과 신호를 송수신할 수 있으며, 상기 위성통신 안테나는 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템에서 획득된 정보를 이리듐 위성에 전송할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 안테나(320)는 케이스의 내부에 수납되었다가 케이스의 외부로 노출될 수 있다. 안테나를 케이스의 내부에 수납함으로써, 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템이 설치되는 극지방의 눈이나 바람 등 극한의 외부환경으로부터 안테나를 보호할 수 있다.
본 실시형태에서는 상기 안테나(320)를 지지하는 길이 조절부(390)를 포함할 수 있다. 상기 길이 조절부(390)는 상기 안테나(320)를 상기 케이스(310)의 외부로 돌출시켰다가 상기 케이스 내부로 수납할 수 있다. 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템(300)은 MCU 모듈의 작동에 의해 배터리 모듈이 일정간격으로 슬립모드에서 작동모드로 변경될 수 있다. 따라서 상기 안테나(320)는 MCU 모듈의 작동에 의해 배터리 모듈이 작동시에만 외부로 돌출될 수 있다.
상기 길이 조절부(390)는 복수의 막대가 중첩되어 수납되면서 길이가 줄어들고, 중첩된 막대가 서로 분리되면서 길이가 신장되는 형태일 수 있다. 상기 길이조절부(390)의 길이가 줄어들었을 때 상기 길이조절부(390)의 단부에 위치하는 안테나(320)는 케이스 내부에 수납될 수 있다. 상기 길이조절부(390)가 신장되었을 때 상기 안테나(320)는 케이스의 외부에 노출될 수 있다. 이와 같이, 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템에서는 안테나(320)를 케이스 내부로 수납할 수 있도록 함으로써, 안테나가 상시적으로 극지방의 악천후에 노출되는 것을 예방하여 안테나 고장 및 작동오류를 줄일 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 길이조절부에는 센서(395)가 설치될 수 있다. 상기 센서(395)는 상기 케이스의 상부에 적설된 눈의 높이를 측정할 수 있는 센서일 수 있다. 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템은 한번 빙하에 설치되면 1년 이상 이동되지 않고 빙하에 고정되어 있어야 한다. 극지방의 특성상 눈이 많이 오면 상기 빙하추적 시스템은 쌓인 눈에 묻히는 경우가 발생될 수 있다. 눈이 높히 쌓인 경우, 상기 안테나(320)가 케이스 외부로 노출되더라도 눈에 덮여있다면 안테나의 통신 효율이 떨어질 수 있다. 따라서, 본 실시형태에서는 케이스 상부에 적설된 눈의 높이를 측정할 수 있는 센서(395)를 추가함으로서, 상기 길이조절부를 신장시켜 안테나를 케이스 외부로 노출시킬 때 쌓여있는 눈의 높이보다 높게 안테나가 위치할 수 있도록 할 수 있다. MCU 모듈(360)에서는 상기 센서(395)에 의해 케이스 상부에 쌓인 눈의 높이를 측정하고, 쌓인 눈의 높이보다 높은 곳에 안테나가 위치하도록 상기 길이조절부(390)의 신장길이를 조절할 수 있다.
본 실시형태의 케이스(310) 상면에는 상기 길이 조절부(390)가 출입할 수 있는 개구부(314)가 형성되며, 상기 개구부를 커버하며 상기 길이 조절부가 출입할 수 있도록 유연성을 갖는 마개부(315)가 형성될 수 있다. 상기 개구부(314)는 상기 길이조절부(390) 및 안테나(320)가 통과할 수 있는 면적으로 형성될 수 있다. 상기 마개부(315)는 상기 개구부(314)를 완전히 밀폐시키는 것이 아니라 상기 길이조절부(390) 및 안테나(320)를 통과시키되, 상기 길이조절부 및 안테나가 케이스 내부에 수납되어 있을 때는 상기 개구부(314)를 어느정도 차단할 수 있도록 유연한 재질로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 마개부(315)는 원형으로 된 개구부(314)에 원주부분이 고정되고 복수개로 분할된 원의 형상으로 형성될 수 있다. 상기 길이조절부(390) 및 안테나(320)가 통과시에는 원형상의 마개부가 복수개로 분리되어 통로를 형성해주고, 상기 길이조절부 및 안테나가 케이스 내부에 수납된 경우에는 원형상의 개구부(314)를 커버해줄 수 있다. 이렇게 개구부에 마개부를 형성함으로써, 상기 안테나(320)가 케이스 내부에 수납된 경우에 외부로부터 눈이나 이물질이 케이스 내부로 들어오는 것을 방지할 수 있다.
GPS 모듈(330)은, 상기 케이스의 내부에 배치되며 상기 GPS 안테나를 통해 GPS 신호를 송수신할 수 있다. 상기 GPS 모듈(330)은 복수의 GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신하고, 각 GPS 위성으로부터 신호 도달에 걸리는 시간을 이용하여 각 위성과의 거리를 산출하고, 현재 시스템의 위치를 산출할 수 있다. GPS 모듈은 현재 위치를 산출하는 방식으로 단순 GPS 측위방식, DGPS(Differential GPS) 측위방식, A-GPS(Assisted GPS) 측위방식, 이중차분방정식에 의한 측위방식 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
위성통신모듈(340)은, 상기 케이스의 내부에 배치되며 상기 위성통신 안테나를 통해 위성과 통신을 수행할 수 있다. 상기 위성통신모듈(340)은 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템에서 측정된 데이터를 인공위성으로 전송할 수 있도록 위성 신호로 변환하며, 변환된 위성 신호를 상기 위성통신 안테나를 통해 인공위성으로 송신할 수 있다. 상기 위성통신모듈(340)은 복수개의 인공위성 중 송수신 상태가 양호한 인공위성을 선택하여 통신을 수행할 수 있다. 상기 위성통신모듈은 이리듐(Iridium) 위성 또는 아르고(Argo) 위성 등을 이용한 데이터 송수신을 지원할 수 있다.
가속도 센서 모듈(350)은, 상기 케이스의 내부에 배치되며 빙하에 발생되는 진동을 측정할 수 있다. 가속도란 단위 시간당 속도를 뜻하며, 가속도 센서 모듈(350)은 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템이 설치된 빙하의 가속도를 측정함으로써 빙하의 기울기나 진동 등의 정보를 계측할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 가속도 센서 모듈(350)은 MEMS 기술을 이용한 정전용량 방식의 가속도 센서가 사용될 수 있다. 본 실시형태에서의 가속도 센서 소자는 Si로 만들어진 고정전극과 가동전극, 및 스프링으로 구성될 수 있다. 가속도가 가해지지 않은 상태에서는 고정전극과 가동 전극 사이의 거리가 동일하나, 가속도가 인가되면 가동 전극이 변위하여 고정전극과의 위치관계에 변화가 생김에 따라 전극간 용량이 변하게 된다. 이렇게 발생한 용량 변화를 ASIC(Application Specific Integreated Circuit)을 통해 전압으로 변환하여 가속도를 산출할 수 있다.
배터리 모듈(370)은, 상기 케이스의 내부에 배치되며, 상기 GPS 모듈, 위성통신 모듈 및 가속도센서 모듈에 전원을 공급할 수 있다. 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템(300)은 한번 빙하에 고정되면 최소 1년 이상을 외부 전원 공급없이 빙하의 위치나 가속도 변화 등에 대한 정보를 수집하여 인공위성으로 정보를 전송하는 역할을 하여야 한다. 따라서, 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템에 사용되는 배터리 모듈(370)은 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템이 극지방의 기온 조건에서 1년 이상 작동할 수 있을 정도의 넉넉한 전력용량을 충전할 수 있어야 한다.
본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템(300)은 케이스 표면에 태양광 패널(316)을 더 포함할 수 있다. 상기 태양광 패널(316)은 케이스의 상면 뿐 아니라 측면에도 형성될 수 있다. 상기 태양광 패널(316)은 상기 배터리 모듈(370)과 연결되어 태양광에 의해 형성된 전력을 배터리 모듈에 충전할 수 있다. 이처럼 케이스 표면에 태양광 패널을 형성하고, 태양광을 이용하여 배터리 모듈에 전력을 충전함으로써 상기 배터리 모듈의 작동수명을 연장시킬 수 있다.
MCU 모듈(360)은, 상기 케이스의 내부에 배치되며, 상기 GPS 모듈, 위성통신 모듈, 가속도센서 모듈, 배터리 모듈, 및 길이조절부의 작동을 제어할 수 있다. 상기 MCU 모듈(360)은 상기 GPS 모듈(330), 위성통신 모듈(340), 가속도센서 모듈(350), 배터리 모듈(370), 및 길이조절부(390)에 각각 연결되어 상기 배터리 모듈의 전원을 상기 GPS 모듈, 위성통신 모듈, 가속도센서 모듈, 및 길이조절부에 각각 전달할 수 있다. 또한, 상기 각각의 모듈로부터 측정된 정보를 저장 및 외부로 전송하는 것을 제어할 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 MCU 모듈(360)은, 상기 배터리 모듈을 주기적으로 작동시키고, 작동 이외의 시간은 슬립모드로 유지시킬 수 있다. 상기 배터리 모듈을 주기적으로 작동시킨다는 의미는, 상기 배터리 모듈로부터 전원을 공급받는 GPS 모듈, 위성통신 모듈, 및 가속도 센서 모듈을 주기적으로 작동시킨다는 의미와 동일할 수 있다. 또한, 상기 배터리 모듈을 주기적으로 작동시킨다는 의미는 본 실시형태에 따른 빙하 추적 시스템이 슬립모드에서 주기적으로 작동모드로 전환된다는 의미일 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템(300)은 최소 1년 이상을 외부 전원의 공급없이 내장된 배터리 모듈에 의해 작동을 유지하여야 한다. 따라서, 상기 배터리 모듈에 충분한 전원을 충전하였다고 하더라도 상기 배터리 모듈의 효율적인 운영이 필요하다. 이를 위해서, 본 실시형태에서는 MCU 모듈(360)이 배터리 모듈(370)을 슬립모드로 운영하면서 설정된 시간에만 작동모드로 작동하여 전체 시스템이 운영되도록 할 수 있다. 예를 들어, 본 실시형태에서 상기 MCU 모듈(360)은 상기 배터리 모듈이 슬립모드를 유지하면서 6시간마다 작동모드로 작동하도록 제어할 수 있다. 이렇게 하면 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템(300)은 하루에 4번만 작동모드로 작동할 수 있다. 또한, 상기 작동모드 지속시간을 미리 정해 놓으면 상기 정해진 시간만큼만 빙하추적 시스템이 동작하여 GPS 신호 수신 및 저장, 가속도 정보 수신 및 저장, 저장된 데이터를 위성통신 등의 작동을 수행하고 다시 슬립모드로 전환될 수 있다. 본 실시형태에서는, MCU 모듈의 작동시간 제어에 의해 배터리 모듈의 효율적인 운영 및 전력소모를 최소화함으로써 배터리 모듈의 운영 지속시간을 늘릴 수 있다. 본 실시형태에서는, 상기 MCU 모듈(360)은, 상기 배터리 모듈을 슬립모드에서 작동모드로 전환시에 상기 길이조절부(390)를 작동시켜 안테나(320)를 케이스 외부로 노출시키고, 배터리모듈이 슬립모드로 전환되는 경우에는 상기 길이조절부(390)의 길이를 조절하여 안테나(320)가 케이스 내부에 수납되도록 할 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템(300)은 배터리 모듈이 슬립모드인 동안에는 안테나(320)를 케이스 내부에 수납하도록 함으로써 악천후로부터 안테나를 보호하여 안테나의 수명을 연장시키고 작동오류를 예방할 수 있다.
고정부(380)는, 상기 케이스의 하부에 형성되며, 상기 케이스를 빙하에 고정시킬 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 고정부(380)는, 케이스의 하면에서 돌출형성된 송곳 형태일 수 있다. 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템(300)은 드론이나 헬기를 이용하여 이송한 후 빙하에 거치시킬 수 있다. 이 때, 상기 고정부(380)가 빙하 표면을 뚫고 들어감으로써 상기 빙하추적 시스템(300)이 빙하에 단단하게 고정될 수 있다. 본 실시형태에서는 하나의 긴 송곳 형태로 고정부를 도시하였으나, 상기 빙하추적 시스템이 상기 빙하의 표면에서 미끄러지거나 흘러가는 것을 방지할 수 있다면 상기 고정부의 형태는 다양하게 구현될 수 있다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 빙하추적 시스템의 주변 환경에 따른 작동상태를 나타내는 도면이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템이 빙하의 표면에 거치되어 작동하는 상태를 나타내는 도면이다. 도 4의 (a)를 참조하면, 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템은 MCU 모듈의 제어에 일정시간마다 배터리모듈을 작동모드로 전환할 수 있다. 배터리 모듈이 작동모드로 전환되면, 상기 빙하추적 시스템 내부의 구성요소들이 전원을 공급받아 정상적인 작동을 수행할 수 있다. 이 때, MCU 모듈은 길이조절부(490)를 신장시켜 안테나(420)를 케이스(410)외부로 노출시켜 GPS 신호 및 인공위성 신호를 송수신하도록 할 수 있다. 도 4의 (b)를 참조하면, 배터리 모듈이 슬립모드로 전환되면 상기 빙하추적 시스템의 내부 구성요소들의 전원이 차단되고 MCU 모듈은 길이조절부(490)의 길이를 조절하여 안테나(420)가 케이스 내부에 수납되도록 할 수 있다.
도 4의 (c)는 본 실시형태에 따른 빙하추적 시스템 케이스(410)의 상부에 눈이 쌓인 경우이다. 이 경우, MCU 모듈은 센서(495)를 통해 케이스(410) 상부에 쌓인 눈의 높이를 확인하고, 길이 조절부(490)의 길이를 평소보다 더 신장시킴으로써 안테나(420)가 쌓인 눈의 높이보다 높게 노출되도록 할 수 있다. 이렇게 함으로써, 안테나가 눈에 묻혀서 통신효율이 떨어지거나 작동오류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시형태 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 안테나를 포함하는 내부 구성요소들의 배치, 청구항에서 한정하지 않은 MCU의 작동 및 제어 등은 다양하게 구현될 수 있다.
110 : 케이스 120 : 안테나
130 : GPS 모듈 140 : 위성통신 모듈
150 : 가속도센서 모듈 160 : MCU 모듈
170 : 배터리 모듈 180 : 고정부

Claims (7)

  1. 진공형 및 방수형 케이스 구조로 형성되어 극저온에 따른 결로 현상을 방지하고 내습 및 방진을 위한 흡수재가 충전된 케이스;
    상기 케이스의 내부에 수납되었다가 상기 케이스의 외부로 노출될 수있으며, 빙하의 현재위치를 추적하기 위한 GPS 안테나 및 위성과 통신을 위한 위성통신 안테나;
    상기 케이스의 내부에 배치되며 상기 GPS 안테나를 통해 GPS 신호를 송수신하는 GPS 모듈;
    상기 케이스의 내부에 배치되며 상기 위성통신 안테나를 통해 위성과 통신을수행하는 위성통신 모듈;
    상기 케이스의 내부에 배치되며 빙하에 발생되는 진동을 측정하는 가속도 센서 모듈;
    상기 케이스의 내부에 배치되며, 상기 GPS 모듈, 위성통신 모듈 및 가속도센서 모듈에 전원을 공급하는 배터리 모듈;
    상기 케이스의 내부에 배치되며, 상기 GPS 모듈, 위성통신 모듈, 가속도센서모듈, 및 배터리 모듈의 작동을 제어하는 MCU 모듈; 및
    상기 케이스의 하부에 형성되며, 상기 케이스를 빙하에 고정시키기 위한 고정부
    를 포함하는 빙하추적 시스템에 있어서,
    상기 GPS 안테나를 지지하며, 상기 GPS 안테나를 상기 케이스의 외부로 돌출시켰다가 상기 케이스 내부로 수납할 수 있는 길이 조절부;
    상기 케이스의 상부에 형성되며 상기 길이 조절부가 출입할 수 있는 개구부;
    상기 개구부를 커버하며 상기 길이 조절부가 출입할 수 있도록 유연성을 갖는 마개부; 및
    상기 길이조절부의 상부에 설치되어 상기 케이스의 상부에 적설된 눈의 높이를 측정할 수 있는 센서
    를 더 포함하며,
    상기 MCU모듈은, 상기 길이조절부를 제어하여 GPS 안테나의 노출높이를 상기 적설된 눈의 높이보다 높게 조절하는 것을 특징으로 하는 빙하추적 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 MCU 모듈은,
    상기 배터리 모듈을 주기적으로 작동시키고, 작동이외의 시간은 슬립모드로 유지시키는 것을 특징으로 하는 빙하추적 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 MCU 모듈은,
    상기 배터리 모듈의 배터리 잔량이 소정값 이하이면,
    상기 배터리 모듈의 작동모드 전환 주기를 길게 조절하는 것을 특징으로 하는 빙하추적 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 GPS 안테나는 상기 배터리 모듈의 작동시에만 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 빙하추적 시스템.
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