KR19990069484A - 지피에스반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템 - Google Patents

지피에스반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 GPS반송파를 이용한 DGPS를 구성하여 댐, 호수, 저수지 등에 저장되어 있는 물의 수위 및 저수량을 체계적이고 효율적으로 관리할 수 있는 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따르면 상공 20,000km에 위치하는 다수의 GPS(Global Positioning System)위성(1)에서 발신된 다수의 GPS반송파를 이용하여 댐, 호수, 저수지 등에 저장된 물의 수위 및 저수량을 측정하는 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템에 있어서, 상기 다수의 GPS위성(1)에서 발신된 다수의 GPS반송파를 수신할 수 있도록 DGPS기준국의 역할을 하는 상기 댐(5)의 소정위치에 고정배치되어 있고 수면에 부양되어 있는 부양장치(6)에 배치되어 있는 GPS안테나(5a,6a)와, 상기 댐(5)의 GPS안테나(5a)에서 수신한 GPS반송파를 기준으로 상기 부양장치(6)의 GPS안테나(6a)에서 수신한 GPS반송파를 비교하는 GPS수신기(2) 및, 상기 GPS수신기(2)에서 비교한 데이터값인 상기 댐(5)의 수위와 상기 댐(5)의 수위 및 상기 댐(5)의 침수면을 연산수단을 이용하여 측정한 상기 댐(5)의 총저수량을 실시간으로 출력하는 출력부(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템이 제공된다.

Description

지피에스반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템
본 발명은 GPS(Global Positioning System)반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템에 관한 것이며, 특히, GPS위성에서 발신된 GPS반송파를 수면에 띄워져 있는 부이와 DGPS(Differential GPS)기준국의 역할을 하는 댐에 각각 설치된 GPS안테나가 각각 수신하고 이렇게 수신된 데이터값을 비교하여 댐의 수위 및 저수량을 측정하는데 사용되는 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템에 관한 것이다.
댐, 호수, 저수지 등의 저수량 관리는 수자원의 효율적인 이용과 홍수 방지 등과 밀접한 관계가 있다고 볼 수 있다. 특히, 우기와 건기가 뚜렷하게 구분되는 대한민국의 경우에 있어서, 우기 때의 저수량과 관리 가능한 수용량을 정확히 파악하여 잘 관리하면, 제한된 수자원을 효과적으로 관리할 수 있어 경제적으로도 매우 중요하다 하겠다.
그러나, 종래에는 이렇게 중요한 수자원 관리를 댐에 표시된 눈금을 눈으로 읽는 원시적인 방법을 대부분 이용하였고, 부분적으로 초음파센서를 이용하여 수심을 측정하는 방법을 이용하였다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 초음파센서를 이용한 수심 측정을 통한 저수량 측정은 바닥면에 입사된 초음파가 반사되어 오는 시간 차이를 이용하므로, 측정 부분의 바닥면의 형태가 불규칙할 경우 저수량이 달리 계산된다는 단점이 있다. 또한, 이와 같이 초음파센서를 이용하는 자동화 시스템을 이용할 경우에는 센서의 유지 및 보수 등 관리가 비효율적일 뿐만 아니라 측정치가 부정확하다는 기술적인 면에 있어서도 많은 문제점이 있다.
또한, 댐의 눈금을 읽는 방법으로 수자원을 관리할 경우에는 매번 방문하여 댐의 수위를 측정하여야 함으로 인력낭비가 크고, 수위 감시가 비체계적이고 비효율적인 단점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, GPS반송파를 이용한 DGPS를 구성하여 댐, 호수, 저수지 등에 저장되어 있는 물의 수위 및 저수량을 체계적이고 효율적으로 관리할 수 있는 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 GPS코드를 이용하여 일반적인 위치측정원리를 설명하는 도면이고,
도 2는 GPS반송파를 이용하여 정밀변위측정의 기본원리를 설명하는 도면이고,
도 3은 GPS의 공통오차를 소거시키기 위해 사용되는 DGPS의 기본원리를 설명하기 위한 개략도이고,
도 4는 종래기술에 따른 초음파센서를 이용한 수위측정방법을 간략하게 도시한 개략도이고,
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템을 설명하기 위한 개략도이며,
도 6은 도 4에 도시된 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템을 설명하기 위한 블록도.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
1 : GPS위성 2 : GPS수신기
3 : DGPS기준국 5 : 댐
5a,6a : GPS안테나 5b,6b : 데이터전송장치
6 : 부이 7 : 데이터수신장치
8 : 출력부
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 상공 20,000km에 위치하는 다수의 GPS위성에서 발신된 다수의 GPS반송파를 이용하여 댐, 호수, 저수지 등에 저장된 물의 수위 및 저수량을 측정하는 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템에 있어서, 상기 다수의 GPS위성에서 발신된 다수의 GPS반송파를 수신할 수 있도록 DGPS기준국의 역할을 하는 상기 댐의 소정위치에 고정배치되어 있고 수면에 부양되어 있는 부양장치에 배치되어 있는 GPS안테나와, 상기 댐의 GPS안테나에서 수신한 GPS반송파를 기준으로 상기 부양장치의 GPS안테나에서 수신한 GPS반송파를 비교하는 GPS수신기 및, 상기 GPS수신기에서 비교한 데이터값인 상기 댐의 수위를 실시간으로 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 GPS수신기에서 비교한 데이터값인 상기 댐의 수위와 상기 댐의 침수면을 연산하여 상기 댐에 저장된 총저수량을 상기 출력부를 통해 출력할 수 있는 연산수단을 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 GPS안테나가 설치된 부양장치를 수면에 다수개 배치하여 상기 다수의 부양장치가 위치하는 물의 수위를 각각 측정함으로써 물의 흐름을 관찰하는 것을 특징으로 하는 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템이 제공된다.
아래에서, GPS(Global Positioning System)에 관한 내용을 설명하겠다.
약 20,000km상공에 위치하며 24개의 GPS위성으로 구성된 GPS는 무제한 수의 사용자가 지구상 어느 위치에서나 4개 이상의 위성이 관측 가능하도록 구성되어 있으므로, 민간 사용자는 95%의 확률로 약 100m 정도의 평면오차(2drms : distance root mean square)범위에서 자신의 위치를 계산할 수 있다. 이렇게 GPS를 이용하여 위치를 계산하기 위해서는, GPS수신기의 3차원 위치와 GPS위성에 탑재되어 있는 세시움이나 루비디움과 같은 원자시계에 비해 훨씬 부정확한 GPS수신기 시계의 오차까지 모두 4개의 정보를 기본적으로 구해야 하므로(즉, 풀어야 할 미지수가 모두 4개이므로), 최소한 4개의 GPS위성에서 보내온 데이터를 기초로 하여 위치를 계산해야 한다. 이렇게 사용되는 24개의 GPS위성은 모두 위성마다 고유의 PRN(Pseudo Random Noise) 코드를 위성의 위치 좌표 등의 정보(항법메세지)를 반송파에 실어 사용자에게 전달한다. 이렇게 사용되는 반송파에는 L1과 L2의 두 가지의 반송파가 있는데, 주파수는 각각 1.575GHz와 1.227GHz이다. 이중 민간인은 L1만 수신하고, 군은 L1과 L2를 모두 수신할 수 있도록 되어 있다.
도면에서, 도 1은 GPS코드를 이용하여 일반적인 위치측정원리를 설명하는 도면이다.
도 1에 보이듯이, 예를 들어, GPS코드를 이용하여 사용자가 각 GPS위성(1)과 사용자 GPS수신기(2)간의 거리를 측정할 경우에는, GPS위성(1)에서 GPS수신기(2)에 도착한 신호와 사용자의 GPS수신기(2)에서 만들어낸 신호를 비교하여, GPS위성(1)을 출발한 코드가 GPS수신기(2)에 도달할 때까지 걸린 시간(Δt)을 측정하고, 이 시간(Δt)에 빛의 속도(C)를 곱함으로써 각 GPS위성(1)과 사용자의 GPS수신기(2)간의 거리를 구한다. 이 때, 시간(Δt)은 상관기(correlator)를 이용하여 계산하는데, 코드칩(cord chip)의 길이가 약 300m이어서 현재기술로 개발된 상관기로는 이런 코드칩의 길이의 1%정도인 약 3m정도의 분해능(최소오차)으로 계산될 수 있다. 그런데, 이렇게 계산된 거리에는 GPS위성(1)을 출발한 전파가 전리층과 대류권 등을 통과할 때 발생한 시간지연과, 전파가 사물에 부딪쳐 경로가 변하여 발생하는 다중경로에 의한 시간지연 및, GPS위성(1) 위치 및 시계관련 오차 등은 물론 GPS수신기(2) 시계의 오차가 포함되어 있으며, 이것을 의사거리(pseudorange)라 부른다.
이런 제반적인 상황을 고려하고 GPS코드에 의해 측정된 위치오차는 약 100m정도인데, 이 정도의 오차라도 GPS는 다른 항법 시스템과는 달리 오차가 누적되지 않는 특징이 있고, GPS수신기 가격이 점점 싸지고 있는 추세라서, 자동차, 선박, 항공기 등의 기본 항법 장비에도 널리 사용될 전망이다. 그러나, 이런 GPS코드를 이용해서는 수 cm 정도의 분해능으로 댐 등에 저장된 물의 수위를 측정하는 것이 불가능하다는 단점이 있다.
도면에서, 도 2는 GPS반송파를 이용하여 정밀변위측정의 기본원리를 설명하는 도면이다.
도 2에는 현재의 시각(t)이 0, τ, t 일 경우에, 위성에서 생성된 신호의 반송파 위상과, 수신기가 수신한 위성신호의 반송파 위상 및, 수신기가 생성한 반송파 위상에 대한 결과가 도시되어 있다.
현재의 시각(t)이 0 일 경우에는 위성에서 생성된 신호의 반송파 위상과, 수신기가 수신한 위성신호의 반송파 위상 및, 수신기가 생성한 반송파 위상은 모두 0 이고, 현재의 시각(t)이 τ 일 경우에는 위성에서 생성된 신호의 반송파 위상은 ｆs·τ 이고, 수신기가 수신한 위성신호의 반송파 위상은 0 이고, 수신기가 생성한 반송파 위상은 ｆr·τ 이며, 현재의 시각(t)이 t 일 경우에는 위성에서 생성된 신호의 반송파 위상은 ｆs·t 이고, 수신기가 수신한 위성신호의 반송파 위상은 ｆs·(t-τ) 이고, 수신기가 생성한 반송파 위상은 ｆr·t 이다. 여기에서, ｆr는 수신기에서 발생하는 반송파 주파수를 나타내고, ｆs는 위성에서 발생하는 반송파 주파수를 나타내며, τ 는 위성을 출발한 위성신호가 수신기에 도달할 때의 시각을 나타낸다.
앞서 설명한 바와 같은 원리를 이용한 GPS반송파를 사용할 경우에 있어서, 현재 민간인이 수신할 수 있는 L1 반송파의 파장은 약 19cm인데, 현재의 기술로 이 파장의 약 1% 정도까지 위상을 구분할 수 있다. 그러므로 GPS반송파를 이용하면, 약 1.9mm정도의 분해능으로 변위를 측정할 수 있다.
도면에서, 도 3은 GPS의 공통오차를 소거시키기 위해 사용되는 DGPS의 기본원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3에 보이듯이, DGPS는 GPS코드를 이용하여 위치를 측정할 경우에 발생하는 약 100m정도의 오차가 여러 수신기가 공통으로 갖고 있는 오차에 의해 대부분이 결정되므로, 이런 공통 오차들을 소거하여 오차를 5m 내외까지 획기적으로 낮출 수 있도록 하는 방법이다. 그 원리를 간단하게 살펴보면, 미리 측량을 하여 위치를 정확히 알고 있는 DGPS기준국(3)에서 GPS위성(1)으로부터 GPS신호를 받아 계산된 오차를 주변의 사용자(4)에게 전달하여 사용자(4)가 자신의 위치계산시 이 오차를 반영하는 방법이다.
이런 DGPS의 도입은 보다 정밀한 위치 계산이 필요한 분야에 응용이 확산되고 있으며, GPS코드를 이용하는 위치 측정에는 코드의 분해능 (약 3m 정도)이 제한되어 있어 미터 단위 이하의 위치(혹은 변위) 측정에의 이용은 불가능하다. 그러나, 20세기초부터 천체 관측에 널리 응용되었던 VLBI(Very Long Baseline Interferometry) 방법에 힌트를 얻어 GPS반송파를 이용하여 DGPS을 구성하면 약 수 cm에서 수 mm이내의 오차로 위치 계산이 가능하게 되었다. 현재 반송파의 분해능은 약 1.9mm로 알려져 있으며, 이런 DGPS의 반송파 응용은 정밀한 위치 계산이 필요한 측지 분야, 지진 관측, 그리고 자세 결정 분야에 널리 응용될 전망이다.
아래에서, 앞서 설명한 바와 같은 특징을 갖는 GPS반송파를 이용하여 본 발명에 따른 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도면에서, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템을 설명하기 위한 개략도이고, 도 6은 도 4에 도시된 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 5에 보이듯이, 약 20,000km상공에는 24개의 GPS위성(1)이 배치되어 있고, 지상에는 이런 GPS위성(1)에서 발신된 GPS반송파를 수신하는 GPS안테나(5a,6a)가 댐(5)의 소정 상부면 및 물이 저장된 저수지의 수면에 띄워져 있는 부이(6)의 상부면에 각각 1개씩 배치되어 있다. 이 때, 수면에 띄워져 있는 부이(6)는 다수개 설치될 수 있으며, 이런 부이(6)의 상부면에는 GPS안테나(6a)가 각각 설치되어 있다. 여기에서, 각각의 GPS안테나(5a,6a)는 GPS위성(1)에서 발신된 GPS반송파를 수신하는 역할을 한다. 이런 역할을 하는 GPS안테나(5a,6a)에서 각각 수신한 GPS반송파는 데이터전송장치(5b,6b)에 각각 입력된다. 이렇게 데이터전송장치(5b,6b)에 각각 입력된 GPS반송파는 각각 발신되어 데이터수신장치(7)에 수신된다.
이런 데이터전송장치(7)는 유선으로 GPS수신기(2)에 각각 접속되어 있다. 여기에서, GPS수신기(2)는 데이터수신장치(7)에 의해 입력된 각각의 반송파, 즉, 댐(5)의 소정 상부면에 설치된 GPS안테나(5a) 및 수면에 띄워져 있는 부이(6)의 상부면에 설치된 GPS안테나(6a)에서 각각 수신한 반송파를 비교하는 역할을 한다. 이런 역할을 하는 GPS수신기(2)는 GPS수신기(2)에서 비교한 데이터값과 침수면에 관한 수집정보를 연산수단(도시생략)을 이용함으로써 댐의 수위 및 총저수량을 화면출력하는 출력부(8)에 접속되어 있다.
아래에서, GPS반송파를 이용하여 댐에 저장된 물의 수위 및 저수량을 측정하는 방법을 설명하겠다.
도 5 및 도 6에 보이듯이, 상공에 위치하는 GPS위성(1)에서 반송파를 전송한다. 그러면, 발신된 GPS반송파를 댐(5)의 소정 부위에 설치된 GPS안테나(5a) 및, 수면에 띄워져 있는 부이(6)의 상부면에 설치된 GPS안테나(6a)에서 각각 수신한다. 이렇게 댐(5) 및 부이(6)의 상부면에 설치된 GPS안테나(5a,6a)에서 각각 수신하여 데이터전송장치(5b,6b)를 거쳐 데이터수신장치(7)에 수신된 각각의 반송파는 유선으로 접속되어 있는 GPS수신기(2)에 전송된다. 이렇게 GPS수신기(2)에 각각의 반송파가 전송되면, GPS수신기(2)에서는 데이터전송장치(7)를 통해 전송된 반송파, 즉, 댐(5)에 설치된 GPS안테나(5a)에서 수신한 반송파와 부이(6)에 설치된 GPS안테나(6a)에서 수신한 반송파를 비교하여 수위를 측정하게 된다. 즉, 댐(5)에 설치된 GPS안테나(5a)는 고정된 기준국, 즉, DGPS기준국의 역할을 하도록 항상 고정되어 있고, 부이(6)에 설치된 GPS안테나(6a)는 수위의 변동에 따라 그 위치가 변동되도록 구성되어 있으므로, 이런 GPS안테나(5a,6a)가 각각 위치하는 고도차를 비교함으로써 수위를 측정할 수 있게 된다.
이렇게 수위의 고도차를 비교할 수 있는 이유는, DGPS기준국의 역할을 하는 댐(5)에 설치된 GPS안테나(5a)의 위치를 미리 측정하여 정확히 알고 있고, 댐(5)의 GPS안테나(5a)에서 수신한 GPS반송파의 데이터값과 미리 측량한 데이터값을 소거시키면 항상 일정한 데이터값을 산출할 수 있기 때문이다. 이렇게 GPS수신기(2)에서 비교된 데이터값에 의해 수위의 변동을 실시간으로 출력부(8)를 통해 출력하게 된다. 또한, GPS수신기(2)에서 비교한 데이터값과 침수면에 관한 수집된 정보를 연산수단(도시생략)을 이용함으로써 연산된 총저수량을 출력부(8)를 통해 산출하게 된다.
또한, GPS안테나(6a)가 설치된 부이(6)를 물이 저장된 저수지의 여러 곳에 설치하여 수위를 측정할 경우에는, 각각의 부이(6)가 위치하는 곳의 수위를 측정할 수 있어 물의 흐름을 관찰할 수도 있다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템은 댐, 호수, 저수지 등에 저장된 물의 수위 및 저수량을 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있으므로 저수량관리가 매우 체계적이고 효율적이다.
또한, 본 발명의 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템은 부이를 저수지의 수면 여러 곳에 설치하여 수위를 측정하므로써 물의 흐름을 관찰할 수 있다.
또한, 본 발명의 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템을 이용하여 저수량관리를 할 경우에는 종래기술에서처럼 매번 방문하여 댐의 수위를 측정하지 않아도 되므로 인력낭비로 인한 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템을 이용하여 저수량관리를 할 경우에는 종래의 초음파센서를 이용하여 저수량을 측정할 경우에 발생하는 부정확성을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 초음파센서의 유지 및 보수 등에 소요되는 비용이 소요되지 않으므로 매우 경제적이다.
또한, 본 발명의 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템은 한 번 구축되면 위성신호를 무료로 이용할 수 있고 장비가 기계적 연결로 이루어지지 않아 유지보수 비용이 거의 소요되지 않으므로 매우 경제적이다.
이상에서 본 발명의 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (3)

  1. 상공 20,000km에 위치하는 다수의 GPS(Global Positioning System)위성(1)에서 발신된 다수의 GPS반송파를 이용하여 댐, 호수, 저수지 등에 저장된 물의 수위 및 저수량을 측정하는 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템에 있어서,
    상기 다수의 GPS위성(1)에서 발신된 다수의 GPS반송파를 수신할 수 있도록 DGPS기준국의 역할을 하는 상기 댐(5)의 소정위치에 고정배치되어 있고 수면에 부양되어 있는 부양장치(6)에 배치되어 있는 GPS안테나(5a,6a)와, 상기 댐(5)의 GPS안테나(5a)에서 수신한 GPS반송파를 기준으로 상기 부양장치(6)의 GPS안테나(6a)에서 수신한 GPS반송파를 비교하는 GPS수신기(2) 및, 상기 GPS수신기(2)에서 비교한 데이터값인 상기 댐(5)의 수위를 실시간으로 출력하는 출력부(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 GPS수신기(2)에서 비교한 데이터값인 상기 댐(5)의 수위와 상기 댐(5)의 침수면을 연산하여 상기 댐(5)에 저장된 총저수량을 상기 출력부(8)를 통해 출력할 수 있는 연산수단을 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 GPS안테나(6a)가 설치된 부양장치(6)를 수면에 다수개 배치하여 상기 다수의 부양장치(6)가 위치하는 물의 수위를 각각 측정함으로써 물의 흐름을 관찰하는 것을 특징으로 하는 GPS반송파를 이용한 실시간 수위 및 저수량측정 시스템.
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