KR102562269B1 - 선박항적을 이용한 속도 판단방법 - Google Patents

선박항적을 이용한 속도 판단방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 선박항적을 이용한 속도 판단방법은, 인공위성 데이터로부터 관심영역 데이터를 추출하는 1단계;상기 관심영역 데이터로부터 후류 성분 선을 추출하고 표시하는 2단계;상기 2단계 데이터에 애지머스(Azimuth) 선을 표시하는 3단계;상기 3단계 데이터에서 레인지(range)방향의 속도성분을 구하는 4단계;및 상기 4단계 데이터에서 타겟선박의 속도를 구하는 5단계;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 인공위성 데이터를 이용하여 관심영역의 타겟선박의 후류 성분 선을 추출하여 타겟 선박의 속도를 추정할 수 있다.

Description

선박항적을 이용한 속도 판단방법{method for determining velocity using wake of ship}
본 발명은 선박항적을 이용한 속도 판단방법에 관한 것으로, 특히 인공위성 데이터를 이용하여 관심영역의 타겟선박의 후류 성분 선을 추출하여 타겟 선박의 속도를 추정하는 선박항적을 이용한 속도 판단방법에 관한 것이다.
선박이 정해진 항로를 벗어나는 경우 좌초되거나 항만 시설과 충돌하여 인명 및 재산 손실 등이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 해상 교통 관제센터(Vessel Traffic Service Center)는 선박의 위치와 속도 및 침로를 지속적으로 감시하는 관제 기능을 제공한다.
또한, 선박은 기본적으로 선박자동식별장치(AIS: Auto Identification System)를 통해서 주기적으로 위치와 운항 속도를 알리며, 이를 통해 선박의 상태를 확인할 수 있다.
하지만, 통신 범위의 한계, 혼잡도, 불법조업을 하는 선박의 의도적인 AIS 전원 off, AIS 고장 등의 이유로 AIS 정보를 이용할 수 없는 경우가 생긴다. 이 경우, 선박의 정보를 알 수 없는 경우가 생기게 된다.
육지와 가까운 해역에서는 레이더를 이용하여 능동적인 선박 감시를 하고 있으나, 먼 바다에서는 실질적인 선박 감시에 어려움이 있는 실정이다.
현재 항공기나 AIS 등을 이용한 방법이 제한적으로 사용되고 있으나, 그 한계가 뚜렷한 문제가 있다.
한국등록특허 제10-2214431호
본 발명은 인공위성 데이터를 이용하여 관심영역의 타겟선박의 후류 성분 선을 추출하여 타겟 선박의 속도를 추정하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 선박항적을 이용한 속도 판단방법은, 인공위성 데이터로부터 관심영역 데이터를 추출하는 1단계;상기 관심영역 데이터로부터 후류 성분 선을 추출하고 표시하는 2단계;상기 2단계 데이터에 애지머스(Azimuth) 선을 표시하는 3단계;상기 3단계 데이터에서 레인지(range)방향의 속도성분을 구하는 4단계;및 상기 4단계 데이터에서 타겟선박의 속도를 구하는 5단계;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 2단계는, 상기 1단계 데이터에서 호프변환을 이용하여 후류 성분 선들을 추출하는 2-1단계;및 상기 2-1단계 데이터에서 호프역변환을 이용하여 후류 성분 선들 중 주선분을 추출하여 표시하는 2-2단계;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 3단계에서 상기 애지머스(Azimuth) 선은 상기 타겟선박의 중심을 지나도록 표시하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 특히 상기 4단계의 레인지(range)방향의 속도성분은 아래의 수학식에 의해 산출되는 점에 그 특징이 있다.
Figure 112021060922736-pat00001
여기서,
Figure 112021060922736-pat00002
: Azimuth shift distance,
Figure 112021060922736-pat00003
: 레인지(range)방향의 속도성분(radial velocity),
Figure 112021060922736-pat00004
: 인공위성 속도(Platform velocity),
Figure 112021060922736-pat00005
: 인공위성과 타켓선박사이의 거리이다.
여기서, 특히 상기 5단계는, 상기 애지머스 선을 중심으로 상기 주성분 좌우측에 동일 크기의 두 영역을 지정하고 각 영역의 표준편차를 계산하여 상기 타겟선박의 이동방향을 결정하는 5-1단계;및 상기 결정된 이동방향 및 상기 레인지(range)방향의 속도성분을 이용하여 상기 타겟선박의 속도를 추정하는 단계;를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 인공위성 데이터를 이용하여 관심영역의 타겟선박의 후류 성분 선을 추출하여 타겟 선박의 속도를 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박항적을 이용한 속도 판단방법을 도식화한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 1단계를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 2-1단계를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 2-2단계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3단계를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 5-1단계를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 4단계 및 5단계를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박항적을 이용한 속도 판단시스템의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박항적을 이용한 속도 판단방법을 도식화한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 1단계를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 2-1단계를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 2-2단계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3단계를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 5-1단계를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 4단계 및 5단계를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 선박항적을 이용한 속도 판단방법은, 먼저, 인공위성 데이터로부터 관심영역 데이터를 추출하는 1단계(S10)가 수행된다. 도 2 왼쪽에 도시된 바와 같이 인공위성으로부터 레이더 수신 데이터를 기반으로 한 인공위성 데이터를 수신받아, 도 2 오른쪽에 도시된 바와 같이 관심영역 데이터를 추출한다. 관심영역에는 타겟선박과 상기 타겟선박의 후류궤적이 표시될 수 있다. 도 2의 오른쪽 도면을 참조하면, 선박과 같이 이동하는 물체는 애지머스 시프트(Azimuth shift) 현상이 나타난다. 애지머스 시프트 현상에 의해 도 2와 같이 타켓선박은 후류궤적상에 위치하지 않고, 후류궤적과 분리되어 보여진다.
이어서, 상기 관심영역 데이터로부터 후류 성분 선을 추출하고 표시하는 2단계(S20)가 수행된다. 상기 2단계는 상기 1단계 데이터에서 호프변환을 이용하여 후류 성분 선들을 추출하는 2-1단계(S21) 및 상기 2-1단계 데이터에서 호프역변환을 이용하여 후류 성분 선들 중 후류 주성분 선을 추출하여 표시하는 2-2단계(S22)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 후류 성분들 선의 검출은 호프변환을 이용하나, 라돈(Radon)을 이용할 수 도 있고 그 방법에 제한을 두지 않는다. 픽셀좌표계 또는 직교좌표계의 화면으로 제공된 1단계의 데이터를 에지정보가 포함된 바이너리 이미지를 만든 후 호프변환하여 나오는 결과물은 도 3과 같이 쎄타(θ)와 로우(ρ)로 표시되는 극좌표계로 변환되어 표시된다.
상기 2-2단계서는 호프역변환을 이용하여 쎄타(θ)와 로우(ρ)로 표시되는 극좌표계로 제공된 데이터를 픽셀좌표계 또는 직교좌표계로 변환하여 도 4와 같이 표시될 수 있다.
상기 후류 주성분 선은 후류 성분선들 중 지배적이거나 지배적인 성분으로 예를들면, 가센 신호가 센 주파수 성분의 선을 추출할 수 있다.
이어서, 상기 2단계 데이터에 애지머스(Azimuth) 선을 표시하는 3단계(S30)가 수행된다. 상기 애지머스 선은 타겟선박의 애지머스 방향으로 선을 그어 만들어지는 것으로, 도 5와 같이 상기 애지머스(Azimuth) 선은 상기 타겟선박의 중심을 지나도록 표시할 수 있다. 상기 후류 주성분 선은 반드시 애지머스 선과 교차한다.
이어서, 상기 3단계 데이터에서 레인지(range)방향의 속도성분을 구하는 4단계(S40)가 수행된다. 레인지 방향은 애지머스 방향과 90도를 이루는 방향으로 본 발명의 도면들에서는 보다 쉽게 x축에 해당한다.
상기 4단계의 레인지(range)방향의 속도성분은 아래의 수학식1에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112021060922736-pat00006
여기서,
Figure 112021060922736-pat00007
: Azimuth shift distance,
Figure 112021060922736-pat00008
: 레인지(range)방향의 속도성분(radial velocity),
Figure 112021060922736-pat00009
: 인공위성 속도(Platform velocity),
Figure 112021060922736-pat00010
: 인공위성과 타켓선박사이의 거리를 의미한다.
즉, 상기 4단계에서는 레인지 방향의 속도성분, 그 속도의 크기를 구할 수 있게 된다.
이어서, 상기 4단계 데이터에서 타겟선박의 속도를 구하는 5단계(S50)가 수행된다. 상기 5단계(S50)는 상기 애지머스 선을 중심으로 상기 후류 주성분 선 좌우측에 동일 크기의 두 영역을 지정하고 각 영역의 표준편차를 계산하여 상기 타겟선박의 이동방향을 결정하는 5-1단계(S51) 및 상기 결정된 이동방향 및 상기 레인지(range)방향의 속도성분을 이용하여 상기 타겟선박의 속도를 추정하는 단계(S52)를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 애지머스 선을 중심으로 상기 후류 주성분 선의 좌우측에 동일 크기의 두 영역(a, b)를 지정하여 각 영역의 표준편차를 계산한다. 표준편차가 큰 쪽에서 작은 쪽으로 상기 타겟선박이 이동하는 것으로 판단한다. 도 6에서는 영역b가 영역a보다 큰 것으로 정의하면, 타겟선박의 이동방향은 오른쪽에서 왼쪽으로 이동하고 있음을 판단할 수 있다. 즉, 도 7의
Figure 112021060922736-pat00011
와 같이 타겟선박이 이동하고 있음을 판단할 수 있다.
이어서, 도 7을 참조하면, 5-2단계(S52)에서는 상기 4단계에서 구한 레인지방향의 속도성분(
Figure 112021060922736-pat00012
)과 5-1단계(S51)에서 판단된 타겟선박의 이동방향으로 실제 타겟선박의 속도(
Figure 112021060922736-pat00013
)를 추정할 수 있다. 도 7에서 레인지방향의 속도성분(
Figure 112021060922736-pat00014
)과 타겟선박의 이동방향의 각도를 추정할 수 있으므로, 타겟선박의 속도(
Figure 112021060922736-pat00015
)를 구할 수 있다.
본 발명에 따른 선박항적을 이용한 속도 판단방법은 선박항적을 이용한 속도 판단시스템에 의해 수행된다.
선박항적을 이용한 속도 판단시스템은 데이터 수신부(10), 데이터 추출부(20), 후류 성분 선 추출부(30) 및 속도추정부(40)를 포함하여 구성된다.
상기 데이터 수신부(10)는 인공위성(1)으로부터 인공위성 데이터를 수신한다. 상기 데이터 추출부(20)는 관심영역 데이터를 추출한다. 상기 후류 성분 선 추출부(30)는 상기 관심영역 데이터에서 후류 성분 선을 추출하고 표시한다. 상기 관심영역 데이터로부터 호프변환을 통해 후류 성분 선들을 추출하고 상기 후류 성분 선들을 다시 호프역변환하여 후류 주성분 선을 추출한다. 자세한 내용은 상기 S20단게의 설명을 참조한다.
상기 속도추정부(40)는 상기 2단계(S20)데이터 보다 구체적으로 2-2단계(S22) 데이터에 에지머스 선을 표시하고(S30), 레인지 방향의 속도성분을 구하고(S40) 타겟선박의 속도를 추정(S50)할 수 있다. 상기 속도추정부(40)는 상기 레인지 방향의 속도성분을 수학식1로부터 산출할 수 있다. 상기 속도추정부(40)는 레인지방향의 속도성분을 산출 후 타겟선박의 이동방향을 결정할 수 있고(S51) 상기 결정된 이동방향 및 상기 산출된 레인지 방향의 속도성분을 이용하여 타겟선박의 속도를 추정할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시 예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
1 인공위성 10 데이터 수신부
20 데이터 추출부 30 후류 성분 선 추출부
40 속도추정부

Claims (5)

  1. 인공위성 데이터로부터 관심영역 데이터를 추출하는 1단계;
    상기 관심영역 데이터로부터 후류 성분 선을 추출하고 표시하는 2단계;
    상기 2단계 데이터에 애지머스(Azimuth) 선을 표시하는 3단계;
    상기 3단계 데이터에서 레인지(range)방향의 속도성분을 구하는 4단계;및
    상기 4단계 데이터에서 타겟선박의 속도를 구하는 5단계;를 포함하고,
    상기 2단계는,
    상기 1단계 데이터에서 호프변환을 이용하여 후류 성분 선들을 추출하는 2-1단계;및
    상기 2-1단계 데이터에서 호프역변환을 이용하여 후류 성분 선들 중 후류 주성분 선을 추출하여 표시하는 2-2단계;를 포함하고,
    상기 2-2단계에서는 호프역변환을 이용하여 쎄타(θ)와 로우(ρ)로 표시되는 극좌표계로 제공된 데이터를 픽셀좌표계 또는 직교좌표계로 변환하고,
    상기 후류 주성분 선은 후류 성분선들 중 가장 신호가 센 주파수 성분의 선이고,
    상기 3단계에서 상기 애지머스(Azimuth) 선은 상기 타겟선박의 중심을 지나도록 표시하고,
    상기 애지머스 선은 타겟선박의 애지머스 방향으로 선을 그어 만들어지고, 상기 후류 주성분 선은 반드시 애지머스 선과 교차하고,
    상기 4단계의 레인지(range)방향의 속도성분은 아래의 수학식에 의해 산출되고,
    상기 5단계는,
    상기 애지머스 선을 중심으로 상기 후류 주성분 선 좌우측에 동일 크기의 두 영역을 지정하고 각 영역의 표준편차를 계산하여 상기 타겟선박의 이동방향을 결정하는 5-1단계;및
    상기 결정된 이동방향 및 상기 레인지(range)방향의 속도성분을 이용하여 상기 타겟선박의 속도를 추정하는 단계;를 포함하는,
    선박항적을 이용한 속도 판단방법.

    여기서,
    : Azimuth shift distance,
    : 레인지(range)방향의 속도성분(radial velocity),
    : 인공위성 속도(Platform velocity),
    : 인공위성과 타켓선박사이의 거리.
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Title
Ki-mook Kang 외 1명, Ship Velocity Estimation From Ship Wakes Detected Using Convolutional Neural Networks, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN APPLIED EARTH OBSERVATIONS AND REMOTE SENSING, VOL. 12, NO. 11, 2019년 11월 12일. 1부.*

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