KR19990017468A

KR19990017468A - 상대 위치 측정장치

Info

Publication number: KR19990017468A
Application number: KR1019970040407A
Authority: KR
Inventors: 장옥훈
Original assignee: 김영환; 현대전자산업 주식회사
Priority date: 1997-08-23
Filing date: 1997-08-23
Publication date: 1999-03-15

Abstract

본 발명은 자신의 위치에서 바라본 상대방의 거리,고각, 방위각 데이터 및 세계 측위 시스템(GPS) 수신기에서 얻어지는 현재 위치값을 이용하여 정확히 상대방 좌표를 알 수 있도록 한 상대 위치 측정장치에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은 상대방의 거리를 측정하고, 지오이드 평면과 평행인 평면과 이루는 상하각인 고각을 검출한 후, 관측자 위치에서의 방위각을 구하고, 인공위성으로부터 전송되는 현재의 위치 정보를 GPS 안테나를 통해 수신한 후, 각각 얻어지는 거리값과 고각 및 방위각 정보 및 위치 정보로 상대 위치를 산출하고 그 산출한 상대 좌표를 디스플레이해줌으로써 상대 위치를 정확하면서도 빠르게 알 수 있는 것이다.

Description

상대 위치 측정장치

본 발명은 상대 좌표 측정에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 자신의 위치에서 바라본 상대방의 거리, 고각, 방위각 데이터 및 세계 측위 시스템(GPS) 수신기에서 얻어지는 나의 위치값을 이용하여 정확히 상대방 좌표를 알 수 있도록 한 상대 위치 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 자신의 위치는 GPS 수신기를 통해 알 수 있으나, 상대 좌표는 지도와 삼각자 등에 의존하여 측정을 함으로써 알 수 있다.

그런데, 상기와 같이 지도와 삼각자에 의존하여 상대 좌표를 측정할 경우에는, 관측자가 수작업에 의해 상대 좌표를 측정하기 때문에 매우 불편하다는 문제점을 발생하였다.

또한, 관측자에 의한 측정이므로 부정확하다는 문제점도 있으며, 지도와 삼각자에 의한 상대 좌표 측정이므로 시간도 많이 걸리는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 상대 좌표 측정시 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로, 본 발명은 자신의 위치에서 바라본 상대방의 거리, 고각, 방위각 데이터 및 세계 측위 시스템(GPS) 수신기에서 얻어지는 나의 위치값을 이용하여 정확히 상대방 좌표를 알 수 있도록 한 상대 위치 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단은, 레이저를 통해 상대방의 거리를 측정하는 거리측정수단과; 지오이드 평면과 평행인 평면과 이루는 상하각을 구하는 고각 검출수단과; 관측자의 위치에서의 방위각을 구하는 방위각 검출수단과; 인공위성으로부터 전송되는 위치 정보를 GPS 안테나를 통해 수신하는 위치정보 수신수단과; 상기 거리측정수단과 고각 검출수단과 방위각 검출수단 및 위치정보 수신수단에서 각각 얻어지는 거리값과 고각 및 방위각 정보 및 위치 정보로 상대 위치를 산출하고 그 산출한 상대 좌표를 디스플레이해주는 프로세서로 이루어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에 의한 상대 위치 측정장치 블록 구성도,

도2는 본 발명에서 상대 위치 측정 방법을 설명하기 위한 설명도,

도3은 지구좌표계,

도4a, 도4b는 본 발명에서 좌표 변환 방법을 설명하기 위한 좌표도,

도5는 본 발명에서 실제 상대 좌표를 구하는 예제도.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 거리 측정부 20 : 고각 검출부

30 : 방위각 검출부 40 : GPS 수신기

50 : GPS안테나 60 : 프로세서

도 1은 본 발명에 의한 상대 위치 측정장치 블록 구성도이다.

여기서, 참조번호 10은 레이저를 통해 상대방의 거리를 측정하는 거리측정부이고, 참조번호 20은 지오이드 평면과 평행인 평면과 이루는 상하각을 구하는 고각 검출부이며, 참조번호 30은 관측자의 위치에서의 방위각을 구하는 방위각 검출부이다.

또한, 참조번호 40은 인공위성으로부터 전송되는 위치 정보를 GPS 안테나(50)을 통해 수신하는 위치정보 수신기이고, 참조번호 60은 상기 거리측정부(10)와 상기 고각 검출부(20)와 상기 방위각 검출부(30) 및 위치정보 수신부(40)에서 각각 얻어지는 거리값과 고각 및 방위각 정보 및 위치 정보로 상대 위치를 산출하고 그 산출한 상대 좌표를 디스플레이해주는 프로세서이다.

상기에서, 프로세서(60)는 산출한 상대 좌표를 디스플레이해주는 표시기(61)를 포함하여 구성 된다.

이러한 구성을 갖는 본 발명에 의한 상대 위치 측정장치의 작용을 첨부한 도면 도1 내지 도5에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 거리 측정부(10)는 레이저 측정 장비에 의해 자신과 상대방의 거리를 산출하고, 그 산출한 거리값을 프로세서(60)로 전달해주게 되며, 고각 검출부(20)는 지오이드 평면과 평행인 평면과 이루는 상하각을 구하여 그 고각 정보를 상기 프로세서(60)에 전달해 준다.

아울러 방위각 검출부(30)는 자신의 위치에서의 방위각을 구하고, 그 구한 방위각 정보를 상기 프로세서(60)에 전달해주게 되며, GPS 수신기(40)는 GPS 안테나(50)를 통해 얻어지는 인공위성으로부터 송출되는 위치 정보를 수신 및 처리하여 상기 프로세서(60)에 전달해 준다.

그러면 프로세서(60)는 상기와 같이 각각 얻어지는 거리값, 고각정보, 방위각 정보 및 위치 정보에 의해 상대방의 좌표를 측정하게 된다.

즉, 상대위치를 측정하기 위한 방법은, 진북을 0점, 나의 위치를 A점, 상대방의 위치를 B점이라 할 때, 지구 중심을 원점으로 하는 구좌표는 도 2와 같다.

상대의 위치를 알려면 기준이 되는 좌표를 설정하여야 한다. 그리고 좌표도 직교좌표로 할 것이냐 아니면 원통좌표로 하느냐 아니면 여기서 적용할 수 있는 구좌표로 할 것인가를 결정하여야만 한다. 본 발명에서는 좌표값을 표현하기 쉽고 구하기 쉬운 구좌표로 표현한다.

여기서, 지구좌표를 기준으로 할 때 구좌표는 다음과 같이 정의한다.

도3과 같이 지구중심을 원점으로하고, 원점에서 북극점을 지나는 방향을 z, 원점에서 경도가 0도 위도가 0인 점을 지나는 선을 x, 원점에서 경도가 90도 위도가 0인 점을 지나는 선을 y로 정의한다.

도3에서 벡터A는 관측자의 위치로써 관측자 좌표는 관측자 위치를 원점으로 하고, 관측점에서 지표면과 접하는 북쪽방향을 z', 관측점에서 지오이드 평면과 수직을 지나는 선을 x', 관측점에서 동쪽 방향을 벡터J'로 한다.

이때 관측자와 관측자에서의 상대위치를 구좌표계로 표현한다. 구좌표에서 어떤 좌표의 표현 방법은 x축 성분을 rsinθcosψ, z축 성분을 rcosθ로 표현한다.

관측자 위치 좌표인 A좌표는 [Rsinθcosψ,Rsinθsinψ, Rcosθ]....①

관측점에서 상대위치 L좌표는 [ Lsinθ'cosψ',Lsinθ'sinψ', Lcosθ'].... ②

지구좌표계에서 상대위치 B좌표는 [R'sinθcosψ,R'sinθsinψ, R'cosθ]=[ Lsinθ'cosψ'+Rsinθ cosψ , Lsinθ'sinψ'+ Rsinθsinψ,Lsinθ'+Rcosθ].............③(B=A+L이므로).

지구좌표와 관측점에서의 좌표가 평행일치될 때(지구좌표계에서의 원점과 관측자 좌표계의 원점을 일치시킬 때)발생하는 θ'와 ψ'가 있다.

R'=√[L ²-2LRcosσ+R ²](지구중심에서 상대위치 까지의 거리).

④

상기에서, γ는 L과 R의 사잇각,

R'는 벡터A의 크기,

L은 벡터L의 크기,

θ는 지구 좌표에서 벡터 A가 z축과 이루는 각,

ψ는 지구 좌표에서 벡터 A가 x-y평면에 투영시 x축과 이루는 각,

θ'는 관측자 좌표에서 벡터 L이 z'축과 이루는 각,

ψ'는 관측자 좌표에서 벡터 L이 x'-y'평면에 투영시 x'축과 이루는 각을 나타낸다.

따라서 두 좌표를 일치 시킴으로써 지구 좌표계에서 상대 위치 좌표를 나타낼 수 있다.

두 좌표를 일치시키는 방법이 좌표 변환 방법인데, 이를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

좌표를 변환 시킴으로써 두 지구좌표계의 관측자 위치 좌표를 일치시킨다.

이때 지구좌표계(x,y,z)와 관측자 좌표(x',y',z')의 두 원점을 한 점으로 일치시킬 때 z축과 z'축이 이루는 각 θ와 z축을 중심으로 x-y평면에 투영시 x축과 x'축이 이루는 각ψ차이가 이루어질 때, 먼저 y축을 고정하고 z축에서 x축 방향으로 θ만큼 z축과 z'축이 회전할 때,

z=rcosθ, x=rsinθ, y=y', z'=rcos(θ+θ'), x'=rsin(θ+θ')

여기서의 x,y,z는 A의 각 위치 성분, r은 A의 크기, z축과 z'축이 θ'만큼 회

전하게 되면 A의 좌표도 변하게 마련이다.

z'=rcosθ cosθ'-rsinθsinθ'=zcosθ'-xsinθ'

x'=rcosθ cosθ'+rcosθsinθ'=xcosθ'-zsinθ'

위와 동일하게 z축을 고정하고 x축과 x'축이 y축 방향으로 ψ만큼 회전할 때,

z'=z, x'=rcosψ, y'=rsinψ, x=rcos(ψ+ψ'), y=rsin(ψ+ψ')

여기서의 x',y',z'는 A의 각 위치 성분, r은 A의 크기, z'축과 z축이 ψ만큼 회전하게 되면 A의 좌표도 변하게 마련이다.

x=rcosψcosψ'-rsinψsinψ'=z'cosψ'-x'sinψ'

y=rsinψcosψ'+rcosψsinψ'=x'cosψ'+z'sinψ'

여기서의 x',y',z'는 위에서 구한 값이다.

즉, 관측자의 위치는 GPS 수신기를 통해서 r,ψ,θ값을 구하고 관측자 좌표계에서 상대의 위치에 대한 정보는 레이져 거리 측정기를 가지고 거리 r값을 구하고 방위각 센서로 관측자 좌표계에서의 θ와 ψ값을 구할 수 있다.

그리고 고각 센서를 이용하여 지구중심 방향과 지오이드 평면이 수직으로 만나는 점을 관측자의 기준점으로 설정한다. 관측자 좌표계에서 상대 위치 좌표를 구할 수 있다. 그럼 이때 과연 지구 좌표계와 관측자 좌표계가 어느정도의 차이를 이루는지를 좌표 변환 방법으로 구한다. 그럼 관측자 좌표에서의 상대 위치좌표값이 나온다.이때 나온 값은 관측자 좌표계와 지구좌표계가 평행 일치시의 좌표값이다.

알고자 하는 지구 좌표계에서의 상대 위치 좌표A는 관측점 좌표값 L과 위에서 좌표 변환하여 구한 값을 합한 값

B=A+L이다.

그리고 지구 좌표계에서 상대 위치까지의 거리는 위에서 합한 좌표값의 각 x,y,z축 성분을 각각 제곱한것에 제곱근이다.

그래서 관측자의 위치를 GPS 수신기로 알고, 상대 위치에 대한 정보를 앞에서 기술한 장치로 구하면 상대 위치에 대한 위치 정보를 지구 좌표계로 표현함으로서 어느 누구에게도 객관적인 위치 정보를 줄 수 있다.

일예로써, 지구 중심으로부터 6400km 떨어지고 관측점이 θ와 ψ가 각각 π/4만큼씩 회전할 때, 상대위치는 관측점에서 동쪽과 북쪽 사이각으로 5km 에 위치해 있다. 즉 관측점에서는 관측좌표와 지구좌표는 θ와 ψ가 π/4씩 차이가 난다. 이때 지구좌표계에서의 상대위치좌표를 구하면, 먼저, 지구좌표상에서 관측점의 위치를 구한다.

R=6400km, θ=π/4, ψ=π/4이므로

관측점의 위치는 A좌표는 구좌표 변수값에 따라

[6400 Xsin π/4*cosπ/4,6400*sinπ/4*sinπ/4,6400*cosπ/4]

=[3200,3200,3200√2]

다음으로 관측 좌표에서 관측점에서 상대위치 L은 1=5km, θ=π/4, ψ=π/2이므로 관측점에서의 상대위치는 L좌표는,

[5/√2*0,5/ √2,5/√2]=[0,5/√2,5/ √2]

여기서 지구 좌표와 관측 좌표가 각 θ=-π/4, ψ=π/4 만큼 회전되어 있으므로 L에 대한 x,y,z축 성분은 x=0, y=5/√2, z=5/√2이고,

y축을 고정시키고 z축에서 x축 회전각이 θ=-π/4이므로

다음으로 z축 고정(x축에서 y축으로 회전각 ψ=π/4) 인 때의 좌표 변화식은

결과적으로 구하고자 하는 지구좌표계에서 상대 위치 좌표는 A+L 이므로 B는,

또한 원점과 상대 위치와의 거리는 Distance= √(x²+y²+z²)=6400.001953이 되는 것이다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 자신의 위치에서 바라본 상대방의 거리, 고각, 방위각의 정보와 GPS 수신기로부터 얻어지는 나의 위치값에 의해 상대 좌표를 정확히 산출할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 각각의 정보에 의해 프로세서에서 연산을 수행하여 상대 좌표값을 산출하기 때문에 상대 좌표 인식시간이 매우 빠르고, 정확하다는 이점도 있다.

Claims

상대 좌표를 관측하는 장치에 있어서, 레이저를 통해 상대방의 거리를 측정하는 거리측정수단과; 지오이드 평면과 평행인 평면과 이루는 상하각을 구하는 고각 검출수단과; 관측자 위치에서의 방위각을 구하는 방위각 검출수단과; 인공위성으로부터 전송되는 현재의 위치 정보를 GPS 안테나를 통해 수신하는 위치정보 수신수단과; 상기 거리측정수단과 고각 검출수단과 방위각 검출수단 및 위치정보 수신수단에서 각각 얻어지는 거리값과 고각 및 방위각 정보 및 위치 정보로 상대 위치를 산출하고 그 산출한 상대 좌표를 다스플레이해주는 프로세서를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 상대 위치 측정장치.
제 1항에 있어서, 상기 프로세서는, 지구좌표와 관측자 위치 좌표를 일치시켜 상대 위치 좌표를 산출하는 것을 특징으로 하는 상대 위치 측정장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 프로세서는, 지구좌표와 관측자 위치 좌표를 좌표 변환 방법에 의해 일치시키는 것을 특징으로 하는 상대 위치 측정장치.
제 3항에 있어서, 상기 좌표 변환 방법은, z축과, z'축이 이루는 각θ와 z축을 중심으로 x-y평면에 투영시 x축과 x'축이 이루는 각 φ차이가 이루어질 때, 먼저 y축을 고정하고 z축에서 x축 방향으로 θ만큼 z축과 z'축이 회전할 때,

z=rcosθ, x=rsinθ, y=y', z'=rcos(θ+θ'), x'=rsin(θ+θ')로 하고,

z'=rcos θ cos θ'-rsinθ sinθ'=zcosθ'-xsinθ'

x'-rsin θ cos θ'+rcosθ sinθ'=xcosθ'+zsinθ'

로 지구좌표를 변환하고, 상기 z축을 고정하고 x축과 x'축이 y축 방향으로 ψ만큼 회전할 때,

z'=z, x'=rcosψ, y'=rsinψ, x=rcos(ψ+ψ'), y=rsin(ψ+ψ')로 한다음,

x=rcosψcosψ'-rsinψsinψ'=z'cosψ'-x'sinψ'

y=rsinψcosψ'+rcosψsinψ'=x'cosψ'+z'sinψ'

로 관측자 위치 좌표를 변환하는 것을 특징으로 하는 상대 위치 측정장치.

상기에서, z는 원점에서 북극점을 지나는 방향, x는 원점에서 경도가 0도 위도가 0인 점을 지나는 선, y는 원점에서 경도가 90도 위도가 0인 점을 지나는 선, z'는 관측점에서 지표면과 접하는 북쪽방향, x'는 관측점에서 지오이드 평면과 수직을 지나는 선, rsinθcosψ는 x축 성분, rcosθ는 z축 성분, γ는 L과 R의 사이각, θ는 지구 좌표에서 벡터A가 z축과 이루는 각, ψ는 지구 좌표에서 벡터A가 x-y평면에 투영시 x축과 이루는 각, θ'는 관측자 좌표에서 벡터L이 z'축과 이루는 각, ψ'는 관측자 좌표에서 벡터L이 x'-y'평면에 투영시 x'축과 이루는 각을 각각 나타낸다.