KR102583028B1 - 위성항법시스템 및 관성측정장치를 이용한 해양기상관측장비, 그리고 그 장비의 구동법 - Google Patents

위성항법시스템 및 관성측정장치를 이용한 해양기상관측장비, 그리고 그 장비의 구동법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해양관측장비 및 그 장비의 구동방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 해양관측장비는, 해양의 부이(buoy)나 등부표에 설치되어 위성항법장치(GPS)와 통신하여 취득되는 원시 데이터 및 내륙의 기지국과 통신해 취득하는 IGS 데이터를 근거로 실시간 측위정보를 생성하는 위성항법시스템부(GNSS), 파고 및 파향의 해양 상태를 측정하기 위해 구비되는 복수의 센서로부터 센싱 데이터를 수신하는 관성측정부(IMU), 및 생성한 실시간 측위정보, 센싱 데이터 및 기설정된 해수면 높이 관련 조위 정보를 근거로 파고 및 파향의 해양 상태를 측정하고, 측정 결과를 기상 데이터로서 외부의 관제장치로 제공하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

위성항법시스템 및 관성측정장치를 이용한 해양기상관측장비, 그리고 그 장비의 구동법{Marine Weather Observation Equipment Using Satellite Navigation System and Inertial Measurement Device, and Driving Method Thereof}
본 발명은 위성항법시스템 및 관성측정장치를 이용한 해양기상관측장비, 그리고 그 장비의 구동법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 가령 해양수산부 및 기상청 등에 기상 데이터를 제공하기 위해 위성항법시스템(GNSS) 및 관성측정장치(IMU) 기반으로 파고 및 파향을 스마트하게 관측하는 위성항법시스템 및 관성측정장치를 이용한 해양기상관측장비, 그리고 그 장비의 구동법에 관한 것이다.
우리나라의 연안지역은 태풍, 해일, 해수범람 등의 기상재해에 매우 취약한 지역이다. 2009년 해양경찰청 자료에 의하면, 우리나라 연근해에서는 매년 평균적으로 700~800건의 선박 충돌, 좌초, 침수 등 해양사고가 빈발하며, 이에 따른 인명피해(사망 및 실종)도 매년 100~200명 수준으로 매우 높은 편이다. 이러한 연안 기상재해로 인한 경제적 손실과 인명피해를 줄이고 보다 선진화된 해양경제활동을 도모하기 위해 관할해역에 대한 그들이 원하고 필요한 정보를 중심으로 구성한 해양기상서비스는 중요한 가치를 갖고 있다.
영토 이외에 그보다 훨씬 넓은 관할해역을 가진 국가로서, 연안중심으로 많은 지자체가 있고 연안 관련 산업이 집중된 나라로서, 국민의 삼분의 일이 어떤 형태든 연안과 연관되어 있어 국민의 눈높이를 맞춘 관련 기상 서비스는 더 말할 나위 없이 필요하고 중요하다.
보다 정확하고 고도화된 해양기상정보를 서비스하기 위해서는 무엇보다 조밀한 관측망에 의한 육상과 해상의 관측 자료가 뒷받침되어야 한다. 우리나라도 이러한 문제점을 인식하여 오랜 기간 동안 범국가적 관측망 확충사업에 많은 노력을 기울여왔다. 육상의 경우는 자동기상관측망(AWS) 및 실시간 레이더감시망 등 다양한 수단을 통해 상당한 수준의 관측망이 구축된 반면, 해양의 경우는 지속적인 노력에도 불구하고 지리적 특성과 관측의 어려움으로 인해 육상에 비해 절대적으로 미약하다.
국내외 연구기관이나 관련 장비 회사들에 의해 해양관측 장비에 대한 기초연구 및 제품화 개발연구가 진행되고 있으나 파고 관측 시스템에 대한 연구개발은 기초 연구 단계에 있으며, 상용화 사례도 존재하지 않는 상황이다. 해양관측장비는 네덜란드의 Datawell社, 노르웨이의 Miros社, 미국의 TELEDYNE社, 그리고 노르웨이의 AANDERAA社 등이 공급하고 있으며, 국내 시장 역시 외국계 기업의 공급에 대부분 의존하고 있다.
이와 같이 고부가가치 해양관측 장비는 수입 의존도가 높아 수급 안정성 문제점이 존재하나, 동 기술이 성공적으로 상업화될 경우 파고, 파향 관측 시스템의 국산화를 통해 수입 의존도가 높은 해양관측 장비의 수입대체 효과가 있으므로 국내 해양관측 및 기상 산업의 발전을 위해 장비의 개발이 절실히 요구되고 있다.
한국등록특허공보 제10-1301743호(2013.08.23) 한국등록특허공보 제10-1422374호(2014.07.16) 한국등록특허공보 제10-1548221호(2015.08.24) 한국등록특허공보 제10-1631967호(2016.06.14) 한국공개특허공보 제10-2019-0023422호(2019.03.08)
본 발명의 실시예는 가령 해양수산부 및 기상청 등에 기상 데이터를 제공하기 위해 위성항법시스템(GNSS) 및 관성측정장치(IMU) 기반으로 파고 및 파향을 스마트하게 관측하는 위성항법시스템 및 관성측정장치를 이용한 해양기상관측장비, 그리고 그 장비의 구동법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 해양기상관측장비는, 해양의 부이(buoy)나 등부표에 설치되어 위성항법장치(GPS)와 통신하여 취득되는 원시 데이터 및 내륙의 기지국과 통신해 취득하는 IGS(International GNSS Service) 데이터를 근거로 실시간 측위정보를 생성하는 위성항법시스템부(GNSS), 파고 및 파향의 해양 상태를 측정하기 위해 구비되는 복수의 센서로부터 센싱 데이터를 수신하는 관성측정부(IMU), 및 상기 생성한 실시간 측위정보, 상기 센싱 데이터 및 해수면 높이와 관련한 기설정된 조위 정보를 근거로 파고 및 파향의 해양 상태를 측정하고, 측정 결과를 기상 데이터로서 외부의 관제장치로 제공하는 제어부를 포함한다.
상기 위성항법시스템부는, 상기 위성항법장치와 각각 통신하는 복수의 안테나를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 복수의 안테나의 전파 특성을 이용하는 GNSS RTK를 이용하여 상기 파고를 추정할 수 있다.
상기 위성항법시스템부는, 내륙에서 운영 중인 복수의 GNSS 기지국 중 가장 인접한 기준국을 베이스 기지국(base station)으로 결정하여 VRS 측위를 수행할 수 있다.
상기 관성측정부는 상기 복수의 센서로서 가속도 센서 및 자이로 센서를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 가속도 센서 및 상기 자이로 센서의 센싱 데이터를 근거로 자세, 높이 및 방향을 판단하여 상기 파고 및 파향을 측정할 수 있다.
상기 제어부는, GNSS RTK 기반으로 산출되는 방위각 및 상기 관성측정부를 이용해 산출되는 피치(pitch) 및 롤(roll) 데이터를 근거로 상기 파향을 추정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 해양기상관측장비의 구동방법은, 위성항법시스템부(GNSS)가, 해양의 부이나 등부표에 설치되어 위성항법장치(GPS)와 통신하여 취득되는 원시 데이터 및 내륙의 기지국과 통신해 취득하는 IGS 데이터를 근거로 실시간 측위정보를 생성하는 단계, 관성측정부(IMU)가, 파고 및 파향의 해양 상태를 측정하기 위해 구비되는 복수의 센서로부터 센싱 데이터를 생성하는 단계, 및 제어부가, 상기 생성한 실시간 측위정보, 상기 센싱 데이터 및 해수면 높이와 관련한 기설정된 조위 정보를 근거로 파고 및 파향의 해양 상태를 측정하고, 측정 결과를 기상 데이터로서 외부의 관제장치로 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전국에 설치된 파고부이 80개소, 해양기상부이 17개소, 등부표 약 4000개소에 적용이 가능하여 관측영역의 세분화 등을 통해 정밀한 해상관측이 가능할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예는 수입품들을 대체함으로써 경제적, 산업적 효과를 얻을 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해양관측시스템을 나타내는 도면
도 2는 도 1의 해양관측장비와 GPS의 통신 모습을 보여주는 도면,
도 3 및 도 4는 도 1의 해양관측장비의 개략적인 구성 및 데이터 처리 과정을 나타내는 도면,
도 5는 GNSS 측정 방식 및 위상차 관측 방식을 설명하기 위한 도면,
도 6은 IMU 측정 방식 및 고도변위, 가속도, 각속도를 이용한 측정 원리를 설명하기 위한 도면,
도 7 및 도 8은 도 1의 해양관측장비의 함체 및 함체 내에 구성되는 회로 보드, 그리고 동작 원리를 간략하게 보여주는 도면,
도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 GNSS RTK 이용 파고 추정 알고리즘을 설명하기 위한 도면,
도 13은 GNSS-IMU 이용 파향 추정 알고리즘을 설명하기 위한 도면,
도 14는 도 1의 해양관측장비를 구성하는 데이터처리장치의 세부구조를 예시한 블록다이어그램, 그리고
도 15는 도 1의 해양관측장비의 구동과정을 나타내는 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해양관측시스템을 나타내는 도면, 도 2는 도 1의 해양관측장비와 GPS의 통신 모습을 보여주는 도면, 도 3 및 도 4는 도 1의 해양관측장비의 개략적인 구성 및 데이터 처리 과정을 나타내는 도면, 도 5는 GNSS 측정 방식 및 위상차 관측 방식을 설명하기 위한 도면, 그리고 도 6은 IMU 측정 방식 및 고도변위, 가속도, 각속도를 이용한 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 해양관측시스템(90)은 해양(기상)관측장비(100), 통신망(110) 및 관제장치(120)의 일부 또는 전부를 포함한다.
여기서, "일부 또는 전부를 포함한다"는 것은 관제장치(120)와 같은 일부 구성요소가 생략되어 해양관측장비(100)와 관제장치(120)가 다이렉트 통신을 수행하거나, 관제장치(120)를 구성하는 구성요소의 일부 또는 전부가 통신망(110)을 구성하는 네트워크장치(예: 무선교환장치 등)에 통합되어 구성될 수 있는 것 등을 의미하는 것으로서 발명의 충분한 이해를 돕기 위하여 전부 포함하는 것으로 설명한다.
해양관측장비(100)는 가령 해양기상관측부이로서 파고부이, 해양기상부이 및 등부표 등에 탑재되어 해상의 파고 및 파향을 관측한다. 본 발명의 실시예에 따른 해양관측장비(100)는 표준형 등부표로서 사용될 수 있으며, 위성항법시스템(GNSS: Global Naviation Satellite System)과 관성측정장치(IMU: Inertial Measurement Unit) 기반으로 파고, 파향을 관측하는 스마트 관측장비로서 동작할 수 있다. GNSS 정보를 수신하는 2개의 안테나의 관성측정장치를 이용하여 파고 및 파형을 측정하고 가령 무선 통신을 통해 실시간으로 해양수산부 및 기상청 등에서 운영하는 서버 등의 관제장치(120)로 기상 데이터를 전송한다.
해양관측장비(100)는 이후에 다시 다루겠지만, 외연을 구성하는 함체의 내부에 복수의 보드(board) 즉 회로기판(혹은 모듈)을 구성한다. 대표적으로, 본 발명의 실시예에서는 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 GNSS RTK 모듈(혹은 제1 회로부)(101), IMU 모듈(혹은 제2 회로부)(102) 및 2개의 모듈로부터 데이터를 수집하는 등의 동작을 수행하는 MCU 모듈(혹은 제3 회로부)(103)을 포함할 수 있다. 물론 이외에도 해양관측장비(100)는 통신망(110)과 통신하기 위하여 LTE 모듈 등의 통신모듈을 더 포함할 수 있고, GNSS RTK 모듈(100) 등으로 전원을 공급하기 위한 파워서플라이(Power Supply) 등을 더 포함한다. 본 발명의 실시예에서는 이러한 보드 즉 회로기판들을 총칭하여 커스텀 보드라 명명할 수 있다. GNSS RTK 모듈(101)은 2개의 안테나가 연결될 수 있으며, LTE 모듈은 통신망(110)을 통해 관제장치(120)와 통신하기 위한 하나의 안테나를 포함할 수 있다. 여기서, 모듈은 소프트웨어나 하드웨어의 일부로 큰 전체 시스템 및 체계 중 다른 구성요소와 독립적인 하나의 구성요소를 말한다고 볼 수 있다.
GNSS는 전파항법의 일종으로 정확한 위치를 알고 있는 위성에서 송출한 신호가 사용자에게 도달된 시간을 관측하여 위치, 속도, 시각정보를 제공하는 시스템이다. GNSS는 기상과 시간에 관계없이 위성항법신호를 관측할 수 있는 위치에서 사용이 가능하다. 1970년대 초반 미국에서 군사용으로 사용하기 위해 개발되기 시작했으며, 2000년부터 GNSS의 위치정확도를 고의로 저하시키기 위해 사용된 고의잡음(SA, Slective availability)을 제거하여 활용할 수 있다.
또한, RTK는 이동체의 실시간 위치정보 오차를 수cm 단위로 유지하는 초고정밀 위치측위 기술이다. 도 5의 (a) 및 (b)는 GNSS 측정 방식과 위상차 관측방식을 각각 보여주고 있다. 실시간 위치측위 기술 중 가장 높은 정밀도, cm 단위의 정확도로 고정밀 측위가 가능하며, 위성(97)과 수신기 간에 존재하는 전파의 파장 개수를 관측하여 위성(97)과 수신기 간의 거리를 관측(예: 기준국 데이터를 이용하여 존재하지 않는 가상의 기준국에서의 관측지를 생성하고, GPS 측위오차를 모델링하여 가상기준점을 생성)하며 0.3cm ~ 1cm의 정확도를 보인다.
다시 말해 고정밀 이동측량 기법인 RTK(Real Time Kinematic)는 정밀한 위치를 확보한 기준점의 반송파 오차 보정치를 이용하여 사용자가 실시각으로 수 cm의 정밀도를 유지하는 관측치를 얻을 수 있다. RTK의 기본개념은 오차보정을 위해 기준국에서 전송되는 데이터가 반송파 수신자료라는 것을 제외하고는 DGPS(Differential Global Positioning System)의 개념과 거의 유사하다. 다만 RTK가 각 위성에 대한 반송파 측정치를 지속적으로 제공하여야 하고, 정보의 전송 장애로 발생할 수 있는 오차의 한계가 DGPS보다 상대적으로 크기 때문에 보다 안정적이고도 신속한 정보전달 통신 시스템이 요구된다고 볼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 GNSS RTK 수신 모듈은 RTK-INS의 수평정확도(Horizontal accuracy)는 0.6cm+0.5ppm, 수직 정확도(Vertical accuracy)는 1cm+1ppm으로, cm 단위의 정밀한 파고 측정이 가능하다. 좀더 구체적으로 본 발명의 실시예에서 사용되는 GNSS RTK 수신기의 사양은 <표 1>에서 같다.
또한, IMU는 일반적으로 무인비행체(드론), 비행기, 인공위성 등의 기기 내부에 들어가는 부품으로 사용되기도 하며, 가속도계, 자이로스코프, 지자계를 이용하여 가속도와 회전율, 즉 관성을 측정하여 3차원 공간에서의 움직임을 측정할 수 있다. 도 6의 (a) 및 (b)는 IMU 측정 방식과, 고도변위, 가속도, 각속도를 이용한 측정 원리를 각각 보여주고 있다. 방위각을 위해 자기장을 추가로 측정하기도 하며, 최근 터널이나 실내 혹은 전자기 간섭이 있는 공간에서 GPS 신호의 수신에 문제가 있을 때 관성 측정 장비의 정보를 바탕으로 위치를 추측한다. 일반적으로 3축 가속도계와 3축 각속도계가 내장되어 있어 진행방향, 횡방향, 높이방향의 가속도와 롤링(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 각속도를 측정 및 적분하여 이동물체의 속도와 자세각의 산출이 가능하다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 IMU 모듈의 사양은 <표 2>에서 같다. 자이로 센서는 일종의 방향 센서로서 최초의 현재 위치를 (0, 0)의 좌표값으로 하여 상대좌표값을 계산하는 형태로 하여 자세각이 산출될 수 있다.
통신망(110)은 유무선 통신망을 모두 포함한다. 가령 통신망(110)으로서 유무선 인터넷망이 이용되거나 연동될 수 있다. 여기서, 유선망은 케이블망이나 공중 전화망(PSTN)과 같은 인터넷망을 포함하는 것이고, 무선 통신망은 CDMA, WCDMA, GSM, EPC(Evolved Packet Core), LTE(Long Term Evolution), 와이브로(Wibro) 망 등을 포함하는 의미이다. 물론 본 발명의 실시예에 따른 통신망(110)은 이에 한정되는 것이 아니며, 가령 클라우드 컴퓨팅 환경하의 클라우드 컴퓨팅망, 5G망 등에 사용될 수 있다. 가령, 통신망(110)이 유선 통신망인 경우 통신망(110) 내의 액세스포인트는 전화국의 교환국 등에 접속할 수 있지만, 무선 통신망인 경우에는 통신사에서 운용하는 SGSN 또는 GGSN(Gateway GPRS Support Node)에 접속하여 데이터를 처리하거나, BTS(Base Transmissive Station), NodeB, e-NodeB 등의 다양한 중계기에 접속하여 데이터를 처리할 수 있다.
통신망(110)은 액세스포인트(AP)를 포함할 수 있다. 여기서의 액세스포인트는 건물 내에 많이 설치되는 펨토(femto) 또는 피코(pico) 기지국과 같은 소형 기지국을 포함한다. 해상 구조물에 설치되는 것도 얼마든지 가능할 수 있다. 펨토 또는 피코 기지국은 소형 기지국의 분류상 해상관측장비(100) 등을 최대 몇 대까지 접속할 수 있느냐에 따라 구분된다. 물론 액세스포인트는 해상관측장비(100) 등과 지그비 및 와이파이 등의 근거리 통신을 수행하기 위한 근거리 통신모듈을 포함할 수 있다. 액세스포인트는 무선통신을 위하여 TCP/IP 혹은 RTSP(Real-Time Streaming Protocol)를 이용할 수 있다. 여기서, 근거리 통신은 와이파이 이외에 블루투스, 지그비, 적외선, UHF(Ultra High Frequency) 및 VHF(Very High Frequency)와 같은 RF(Radio Frequency) 및 초광대역 통신(UWB) 등의 다양한 규격으로 수행될 수 있다. 이에 따라 액세스포인트는 데이터 패킷의 위치를 추출하고, 추출된 위치에 대한 최상의 통신 경로를 지정하며, 지정된 통신 경로를 따라 데이터 패킷을 다음 장치, 예컨대 관제장치(120)로 전달할 수 있다. 액세스포인트는 일반적인 네트워크 환경에서 여러 회선을 공유할 수 있으며, 예컨대 라우터(router), 리피터(repeater) 및 중계기 등이 포함된다.
관제장치(120)는 해양수산부나 기상청 등에 운영하는 서버 등을 포함할 수 있으며, 해당 서버에 접속하여 관제 동작을 수행하는 관리자의 컴퓨터 등을 더 포함할 수 있다. 관제장치(120)는 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 해양관측장비(100)로부터 수집되는 데이터를 분석하여 분석 결과를 모니터 등의 화면에 보여줄 수 있으며, 또는 해양관측장비(100)로부터 분석되어 제공되는 데이터를 가공하여 관리자의 컴퓨터 등에 표시할 수 있다. 도 3에서는 분석 결과를 화면에 보여주고 있으며, 함체(DUT)에 구성되어 해상의 부이 등에 탑재된 상태에서의 함체 방향, 움직임 등을 확인할 수 있다.
다시 말해, 해상의 부이 등에 탑재되는 함체는 내부에 GNSS-RTK 모듈(101)과 IMU 모듈(102)을 포함하므로 GNSS-RTK 모듈(101)은 위성항법장치(97)와의 통신에 의해 방위각 산출 등을 통해 움직임 즉 위치정보가 추적될 수 있다. 또한, IMU 모듈(102)을 통해서는 가속도 센서나 자이로 센서 등을 통해 부이(buoy) 자세를 산출하여 방향 등을 측정할 수 있다. 따라서 관제장치(120)는 관측 자료를 수집서버에 저장하며, 수집자료의 분석을 통하여 데이터를 확인하는 것이 가능하다.
이외에도 관제장치(120)는 해양관측장비(100)와의 통신에 의해 다양한 동작을 더 수행할 수 있다. 예를 들어, 자국 장비인 해양관측장비(100)의 운영 및 전원 상태를 확인할 수 있고, 또 해양관측장비(100)에서 이벤트 정보를 수신할 수 있으며, 공용무선통신망의 상태정보를 수신할 수 있다. 반면 모국 장비인 관제장치(120)는 자국에 설치된 장비 리셋, 전원제어 명령 전송, 변경되는 환경 설정 데이터 전송, 공용통신망의 환경설정 데이터 전송 등의 동작을 수행할 수 있다.
상기의 구성 결과, 본 발명의 실시예는 GNSS와 IMU를 이용하는 기술을 적용함으로써 자기장의 영향을 받지 않고 물리적 힘만 가해진다면 위치 변화 없이 방향 측정이 얼마든지 가능하다. 가령 기존에 전국의 설치된 약 4,000여개의 철로 제작된 등부표에 GNSS 안테나 및 IMU 모듈을 이용하여 자기장의 영향없이 파고, 파향이 측정가능한 관측장비를 설치하여, 우리나라 전체 해역의 세밀한 측정을 수행할 수 있을 것이다. 정확한 관측자료의 생산을 통해 선박의 안전운항 확보, 해난사고 예방, 기상 예보자료, 실시간 위험기상 감시 및 국가방재기상업무 등에 활용될 수 있을 것이다.
도 7 및 도 8은 도 1의 해양관측장비의 함체 및 함체 내에 구성되는 회로 보드, 그리고 동작 원리를 간략하게 보여주는 도면, 도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 GNSS RTK 이용 파고 추정 알고리즘을 설명하기 위한 도면, 그리고 도 13은 GNSS-IMU 이용 파향 추정 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 해양관측장비(100)는 GNSS 모듈(부)(101), IMU 모듈(부)(102) 및 MCU 모듈(부)(103)의 일부 또는 전부를 포함하며, LTE 모듈(부) 및 파워서플라이, 그리고 이러한 모듈들을 내부에 수용하는 함체(700)를 더 포함할 수 있다.
함체(700)는 외연을 형성하는 케이스가 될 수 있으며, 방수 처리 등을 위해 다양한 구조를 가질 수 있다. 함체(700)의 세부 구조와 관련해서는 도 8에서 잘 보여주고 있다. 함체(700)는 가령 도 1의 부이 등에 견고하게 고정 또는 탑재시키기 위한 다양한 구조를 가질 수 있을 것이다.
GNSS 모듈(101)은 데이터 획득 및 RTK 위치 측정 알고리즘 즉 프로그램을 포함하며 이를 실행시킬 수 있다. 예를 들어, GNSS 모듈(101)을 이용하여 파고를 추정할 수 있다. GNSS RTK를 이용한 파고 산출 원리는 FFT(Fast Fourier Transform) 등을 이용한 스펙트럼 분석이 필요한 ATC(Accelerometer-Tilt-Compass) 타입의 센서와 달리 매우 간단하며 이를 개략적으로 표현한 것이 도 9이다. 도 9는 GNSS RTK를 이용한 파고 측정을 설명하기 위한 도면이다. 도 9에서 RTK 측위 결과로 기준타원체(reference ellipsoid)인 WGS84에서 GNSS 안테나까지의 타원고도인 hbuoy가 바로 산출되며 이 값에서 안테나 설치 높이인 hant를 뺀 값이 해수면 고도가 된다.
따라서, hbuoy를 cm 수준으로 정확히 계산하기 위해 RTK 측위를 수행하는데 RTK를 위한 GNSS 데이터는 통상 원시데이터라고 불리는 의사거리(pseudorange) 및 반송파 위상(carrier-phase)이 필요하며 각 식을 기술하면 <수학식 1>과 같다.
상기의 <수학식 1>에서 는 위성과 수신기 간의 기하학적 거리, 와 는 수신기 시계와 위성 시계 오차, , 는 각각 대류층 지연, 전리층 지연을 의미한다.
위의 <수학식 1>에서 를 제외한 모든 시스템적인 오차들을 제거하기 위해 RTK는 이중차분을 이용하는데 이중 차분 후 <수학식 2>로 변한다.
위의 식에서 윗첨자 P, Q는 공동 관측된 서로 다른 GNSS 위성을 의미하며 아래 첨자 A, B는 이중차분에 이용된 두 개의 수신기를 뜻한다.
<수학식 2>에서 볼 수 있듯이 이중차분된 의사거리는 기하학적 거리와 잡음을 제외하고 다른 항들이 제거되며 이중차분 반송파 위상의 경우 기하학적 거리, 잡음 및 위상 모호성(phase ambiguity) 항이 존재하는데 ambiguity fixing 기법을 통해 위상 모호성 결정이 가능하다. 이중차분을 위해 내륙에서 운영중인 GNSS 기준국들 중 가장 인접한 기준국을 base station으로 결정하여 관측(observation) 데이터 스트림을 부이로 전송하는 것이 필요한데 이를 위해 LTE 모뎀 등을 사용할 수 있다. 도 10은 파고 측정을 위한 VRS 측위 개략도이며, 내륙에 위치한 base station에서 GNSS 관측 데이터를 전송받아 RTK 측위의 일종인 VRS 측위를 수행하는 buoy의 개략도인데 VRS의 경우 초기 위치를 NMEA 포맷으로 전송후 RTCM 포맷의 correction 정보를 받아 정밀 측위를 수행하는 형태이다.
도 11은 GNSS-RTK 기법을 이용하여 현수교의 변형량을 실시간 모니터링한 결과로서 붉은색으로 표시된 것은 상용 H/W RTK 결과이며 검은색으로 표시한 점들은 본 발명의 실시예에 따라 개발된 S/W RTK 모듈을 이용하여 산출한 결과를 도시한 것이다. 하드웨어(H/W) RTK 결과와 소프트웨어(S/W) RTK 결과를 보다 식별에 용이하도록 오프셋을 넣어 출력하면 도 11의 (a) 및 (b)에서 볼 수 있듯이 교량의 수직 변위를 cm 수준에서 산출할 수 있으며 차량 등이 지나갈 때마다 발생하는 교량의 처짐 현상이 도 11의 (a) 및 (b)의 우측 패널에서 V 자 형태의 패턴으로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 상기의 기법을 적용하여 부이의 수직 이동량을 산출함으로써 cm 정밀도로 파고 등의 관측이 가능하다.
또한 부이 자세에 따른 파고 보정 알고리즘을 살펴보면, 해수면에 대해 부이가 수직에 근접한 자세로 hant를 측정할 경우 END(East-North-Down)과 같은 기준 좌표계에 대해 피치와 롤이 0에 가까우므로 hant에 대해 별다른 보정없이 SSH를 산출할 수 있으나 파도 등에 의해 경사(slope)가 발생하여 피치 및 롤이 상대적으로 큰 값을 가질 경우 이에 대한 보정이 필요하다. 부이에 고정된 body-fixed coordinates를 XYZ 좌표계라고 할 경우 기준 좌표계 END에 대해 오일러 각(Euler angle)을 이용하여 자세를 표현할 수 있다. 구체적으로 이중 안테나 GNSS를 이용한 방위각(azimuth)과 해수면에 대해 수직인 방향으로 중력 가속도가 작용하는 점을 이용한 피치 및 롤 정보를 통해 ENU 좌표계에 대한 경사 보상을 수행한다. 추가로 GNSS 안테나 설치 위치와 IMU 설치 위치가 다르므로 이로 인한 lever-arm 효과에 대한 보정이 필요하며 GNSS 안테나와 IMU 위치 간의 차이값을 body frame에서 측정한 값은 Δr b 라고 할 경우 <수학식 3>과 같이 표현할 수 있다.
<수학식 3>에서 M, N 및 h는 각각 meridian 및 equatorial 방향의 곡률반경 및 높이를 의미하며 φ와 C는 roll 및 directional cosine matrix를 나타내는데, 해당 값들은 자세 정보에서 바로 계산되며 자세 정보는 GNSS 및 IMU를 이용하여 부이의 위치값과 함께 산출할 수 있다. 도 12는 이러한 GNSS-IMU 기반 항법 및 자세 산출 시스템의 개략도이다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 GNSS 모듈(101)은 스탠드얼론 방식 파고 추정 방식 분석, GNSS-RTK 기반 파고 추정 및 방위각 산출을 위한 신호처리 및 추정 기법 분석, 그리고 기준 좌표계와 자세 정보에 따른 파고 보정 알고리즘 및 모델링이 적용된다고 볼 수 있다.
한편, IMU 모듈(102)은 GNSS-IMU 이용 파향 추정 알고리즘의 동작에 관여한다. IMU 모듈(102)은 IMU 이용 부이 자세 산출 알고리즘 분석, GNSS RTK 기반 방위각 산출 기법과의 통합 방안에 활용된다. 파향 추정을 위한 이론적 분석은, 전처리 알고리즘을 통한 잡음 제거 및 실시간 처리 확인(data segmentation, windowing 등), 입력 데이터들에 대한 ENU 좌표계로의 경사 변환 및 FFT를 이용한 co-spectra 및 cross-spectra 산출, Directional wave spectra 산출을 위한 매개 변수 및 출력값 산출 알고리즘 분석 및 구현을 포함한다. 관계식은 <수학식 4>과 같다.
(여기서, C11: nondirectional wave spectrum, D: directional spreading function)
Directional Fourier series를 이용하여 directional spectrum(S(f,θ))를 추정할 수 있다. 관계식은 <수학식 5>와 같이 나타낼 수 있으며, a0, a1, , bo, b1은 Longuet-Higgins directional parameter 등을 이용하여 획득할 수 있다. C11은 <수학식 6>에서와 같이 표현될 수 있다.
도 13은 주기에 따른 파랑 분류를 설명하기 위한 도면이며, 도 13에서 볼 수 있는 바와 같이 0 ~ 30초 이상의 주기를 가지는 장주기 성분 관측을 위해 1Hz 이상의 샘플링주기로 수집한 데이터를 decimation 후 에너지 밀도 스펙트럼 계산에 활용하였다.
스펙트럼 분석 결과로 산출된 에너지 스펙트럼 밀도를 바탕으로 유의 파고 및 파 주기 등을 산출하며, 에너지 밀도 스펙트럼을 E(f)라고 할 때 n차 모멘트는 <수학식 7>과 같이 나타낼 수 있다.
일례로 유의 파고 Hmo와 파 주기 Tmo2는 각각 0차 모멘트와 2차 모멘트를 이용하여 계산이 가능하다. 관계식은 <수학식 8>같다.
본 발명의 실시예에 따른 MCU 모듈(103)은 파고 및 파향 알고리즘을 통합 및 성능 고도화를 위한 추가 동작을 수행할 수 있다. 물론 이러한 동작은 사전에 개발 및 테스트되어 기설정 또는 기저장될 수도 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 어느 하나의 형태에 특별히 한정하지는 않을 것이다.
MCU 모듈(103)은 파향 분석 알고리즘의 튜닝과 wave parameter 산출 테스트 및 검증을 통해 파고 및 파향 산출 통합 알고리즘을 생성할 수 있으며, 이를 위하여 Power transfer function을 이용한 센서 및 buoy 운동, 데이터 수집 필터에 의한 신호 전력 영향이 분석될 수 있다.
Nondirectional wave spectra는 <수학식 9>와 같이 나타낼 수 있다.
이때, NC는 frequency-dependent noise correction function이다.
Directional wave spectra는 <수학식 10> 내지 <수학식 12>와 같이 나타낼 수 있다.
이외에도 MCU 모듈(103)은 유의 파고, peak 및 zero-crossing 주기, 평균 파향 등의 wave parameter 산출 검증 동작을 수행할 수 있으며, 이를 통해 파고 및 파향 산출 알고리즘 통합 및 최적화가 이루어질 수 있다.
도 14는 도 1의 해상관측장비를 구성하는 데이터처리장치(예: MCU 모듈)의 세부구조를 예시한 블록다이어그램이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 해양관측장비(100)의 데이터처리장치(103')는 인터페이스부(1400), 제어부(1410), 해양관측데이터처리부(1420) 및 저장부(1430)의 일부 또는 전부를 포함한다.
인터페이스부(1400)는 도 3의 GNSS RTK 모듈(101) 및 IMU 모듈(102)과 연결되며, LTE 모듈과 더 연결되어 통신을 수행할 수 있다. GNSS RTK 모듈(101) 및 IMU 모듈(102)로부터 데이터를 수집하여 LTE 모듈을 통해 도 1의 관제장치(120)로 기상 데이터를 전송할 수 있다. 물론 인터페이스부(1400)는 LTE 모듈을 통해 통신을 수행하는 과정에서 변/복조, 먹싱/디먹싱, 인코딩/디코딩 등의 동작을 수행할 수 있으며, 이는 당업자에게 자명하므로 더 이상의 설명은 생략하도록 한다.
또한, 제어부(1410)는 도 14의 인터페이스부(1400), 해양관측데이터처리부(1420) 및 저장부(1430)의 전반적인 제어 동작을 담당한다. 예를 들어, 제어부(1410)는 GNSS와 IMU 모듈을 이용한 파고, 파향의 관측을 위하여 해양관측데이터처리부(1420)를 제어하여 내부 프로그램을 실행시킬 수 있다.
제어부(1410)는 또한 파고 및 파향 알고리즘을 통합 및 성능 고도화를 위한 추가 동작을 수행할 수 있으며, 이를 위하여 해양관측데이터처리부(1420)와 연계하여 동작할 수 있다. 이와 같이 연동하여 본 발명의 실시예에 따른 GNSS와 IMU 모듈을 이용한 파고, 파향의 관측 데이터를 기상 데이터로서 도 1의 관제장치(120)로 제공하도록 인터페이스부(1400)의 LTE 모듈을 제어할 수 있다.
해양관측데이터처리부(1420)는 GNSS RTK 모듈(101) 및 IMU 모듈(102)과 연계하기 위한 프로그램을 탑재하여 이를 실행시킬 수 있다. 예를 들어, NSS RTK 모듈(101) 및 IMU 모듈(102)로부터 제공되는 데이터를 가공(예: 통합)하여 기설정된 형태의 데이터 패킷을 생성하여 관제장치(120)로 전송되도록 할 수 있다.
또한, 해양관측데이터처리부(1420)는 관제장치(120)의 제어 명령에 따라 장비 제어, 환경설정, 그리고 통신 환경설정 등의 동작을 더 수행할 수 있다. 장비 제어는 장비 리셋, 전원제어 동작을 수행할 수 있다. 환경 설정은 변경되는 환경설정 데이터를 주기적으로 관제장치(120)로부터 수신할 수 있다. 또한, 통신 환경설정과 관련하여 공용 통신망의 환경 설정 데이터를 수신할 수 있다.
저장부(1430)는 제어부(1410)의 제어하에 처리되는 데이터를 임시 저장한 후 출력한다. 가령, GNSS RTK 모듈(101) 및 IMU 모듈(102)에서 제공되는 데이터를 임시 저장한 후 도 1의 관제장치(120)로 전송하도록 출력하거나, 해양관측데이터처리부(1420)로 제공되도록 기저장된 데이터를 출력할 수 있다.
상기한 내용 이외에도 도 14의 인터페이스부(1400), 제어부(1410), 해양관측데이터처리부(1420) 및 저장부(1430)는 다양한 동작을 수행할 수 있으며, 기타 자세한 내용은 앞서 충분히 설명하였으므로 그 내용들로 대신하고자 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예로서 제어부(1410)는 CPU 및 메모리를 포함할 수 있으며, 원칩화하여 형성될 수 있다. CPU는 제어회로, 연산부(ALU), 명령어해석부 및 레지스트리 등을 포함하며, 메모리는 램을 포함할 수 있다. 제어회로는 제어동작을, 그리고 연산부는 2진비트정보의 연산동작을, 그리고 명령어해석부는 인터프리터나 컴파일러 등을 포함하여 고급언어를 기계어로, 또 기계어를 고급언어로 변환하는 동작을 수행할 수 있으며, 레지스트리는 소프트웨어적인 데이터 저장에 관여할 수 있다. 상기의 구성에 따라, 가령 해양관측장치(100)의 동작 초기에 해양관측데이터처리부(1420)에 저장되어 있는 프로그램을 복사하여 메모리 즉 램(RAM)에 로딩한 후 이를 실행시킴으로써 데이터 연산 처리 속도를 빠르게 증가시킬 수 있다.
도 15는 도 1의 해양관측장비의 구동과정을 나타내는 흐름도이다.
설명의 편의상 도 15를 도 1 및 도 3과 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 해양관측장비(100)는 해양의 부이나 등부표에 설치되어 GPS와 통신하여 취득하는 원시 데이터 및 내륙의 기지국과 통신해 취득하는 IGS 데이터를 근거로 실시간 측위정보를 생성한다(S1500). 내륙의 기지국으로부터 취득되는 IGS 데이터를 더 이용함으로써 정밀 측위 정보를 생성한다고 볼 수 있다. 물론 본 발명의 실시예에서는 IGS 데이터를 더 이용하는 것에 특별히 한정하지는 않을 것이다.
또한, 해양관측장비(100)는 파고 및 파향의 해양 상태를 측정하기 위한 복수의 센서로부터 센싱데이터를 생성한다(S1510). 해당 센서들은 자이로센서 및 가속도 센서로서 IMU 모듈(102)에 탑재될 수 있다. 자이로센서는 방향을 측정하기 위해 유용할 수 있으며, GNSS 기반으로 산출된 방위각 등의 정보를 이용함으로써 방향의 측정에 정밀도를 높일 수 있을 것이다.
나아가 해양관측장비(100)는 생성한 실시간 측위정보, 센싱 데이터 및 기설정된 해수면 높이 관련 조위 정보를 근거로 부위나 등부표 등이 위치하는 곳의 파고 및 파향의 해양 상태를 측정 즉 판단 혹은 분석하고, 그 측정 결과를 기상 데이터로서 서버 등의 외부장치로 제공한다(S1520).
가령, 우리나라의 경우 전국에 설치된 파고부이가 80개소, 해양기상부이는 17개소, 등부표는 약4000개소가 있으므로, 해당 대상물들에 본 발명의 실시예에 따른 해양관측장비(100)를 설치하여 운영하는 경우, 전 해역에서의 기상 관측을 용이하게 할 수 있고, 또 세부 영역으로 구분하여 운영하는 경우 정밀 기상 관측이 가능할 수 있을 것이다.
상기한 내용 이외에도 본 발명의 실시예에 따른 해양관측장비(100)는 다양한 동작을 수행할 수 있으며 기타 자세한 내용은 앞서 충분히 설명하였으므로 그 내용들로 대신하고자 한다.
한편, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 비일시적 저장매체(non-transitory computer readable media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시 예를 구현할 수 있다.
여기서 비일시적 판독 가능 기록매체란, 레지스터, 캐시(cache), 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라, 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로, 상술한 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리 카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독가능 기록매체에 저장되어 제공될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
100: 해양관측장비(부) 101: GNSS-RTK 모듈(부)
102: IMU 모듈(부) 103: MCU 모듈(부)
110: 통신망 120: 관제장치
700: 함체 1400: 인터페이스부
1410: 제어부 1420: 해양관측데이터처리부
1430: 저장부

Claims (6)

  1. 해양의 부이나 등부표에 설치되는 함체 내에 구성되는 해양기상관측장비로서,
    해양의 부이나 등부표에 설치되어 위성항법장치(GPS)와 통신하여 취득되는 원시 데이터 및 내륙의 기지국과 통신해 취득하는 IGS(International GNSS Service) 데이터를 근거로 실시간 측위정보를 생성하는 위성항법시스템부(GNSS);
    파고 및 파향의 해양 상태를 측정하기 위해 구비되는 복수의 센서로부터 센싱 데이터를 수신하는 관성측정부(IMU); 및
    상기 생성한 실시간 측위정보, 상기 센싱 데이터 및 기설정된 해수면 높이 관련 조위 정보를 근거로 파고 및 파향의 해양 상태를 측정하고, 측정 결과를 기상 데이터로서 외부의 관제장치로 제공하는 제어부;를 포함하되,
    상기 위성항법시스템부는, 상기 위성항법장치와 각각 통신하는 복수의 안테나를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 복수의 안테나의 전파 특성을 이용하는 GNSS RTK를 이용하여 상기 파고를 추정하고,
    상기 위성항법시스템부는, 내륙에서 운영 중인 복수의 GNSS 기지국 중 가장 인접한 기준국을 베이스 기지국(base station)으로 결정하여 VRS 측위를 수행하며,
    상기 제어부는, GNSS RTK 기반으로 산출되는 방위각 및 상기 관성측정부를 이용해 산출되는 피치(pitch) 및 롤(roll) 데이터를 근거로 상기 파향을 추정하는 해양기상관측장비.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 관성측정부는 상기 복수의 센서로서 가속도 센서 및 자이로 센서를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 가속도 센서 및 상기 자이로 센서의 센싱 데이터를 근거로 자세, 높이 및 방향을 판단하여 상기 파고 및 파향을 측정하는 해양기상관측장비.
  5. 삭제
  6. 해양의 부이나 등부표에 설치되는 함체 내에 구성되는 해양기상관측장비의 구동방법으로서,
    위성항법시스템부(GNSS)가, 해양의 부이나 등부표에 설치되어 위성항법장치(GPS)와 통신하여 취득되는 원시 데이터 및 내륙의 기지국과 통신해 취득하는 IGS 데이터를 근거로 실시간 측위정보를 생성하는 단계;
    관성측정부(IMU)가, 파고 및 파향의 해양 상태를 측정하기 위해 구비되는 복수의 센서로부터 센싱 데이터를 생성하는 단계; 및
    제어부가, 상기 생성한 실시간 측위정보, 상기 센싱 데이터 및 기설정된 해수면 높이 관련 조위 정보를 근거로 파고 및 파향의 해양 상태를 측정하고, 측정 결과를 기상 데이터로서 외부의 관제장치로 제공하는 단계;를 포함하되,
    상기 위성항법시스템부는, 상기 위성항법장치와 각각 통신하는 복수의 안테나를 포함하며,
    상기 제어부가, 상기 복수의 안테나의 전파 특성을 이용하는 GNSS RTK를 이용하여 상기 파고를 추정하는 단계;
    상기 위성항법시스템부가, 내륙에서 운영 중인 복수의 GNSS 기지국 중 가장 인접한 기준국을 베이스 기지국(base station)으로 결정하여 VRS 측위를 수행하는 단계; 및
    상기 제어부가, GNSS RTK 기반으로 산출되는 방위각 및 상기 관성측정부를 이용해 산출되는 피치(pitch) 및 롤(roll) 데이터를 근거로 상기 파향을 추정하는 단계;를
    더 포함하는, 해양기상관측장비의 구동방법.
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