KR20020053518A

KR20020053518A - Ｇｐｓ반송파를 이용한 유속측정 시스템

Info

Publication number: KR20020053518A
Application number: KR1020000083175A
Authority: KR
Inventors: 지규인; 이영재
Original assignee: 지규인; 이영재
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-05

Abstract

본 발명은 GPS반송파를 이용한 유속측정 시스템에 관한 것으로, 다수의 GPS위성에서 발신된 다수의 GPS반송파를 이용하여 유체의 실시간 속도를 측정하는 시스템에 있어서, 다수의 GPS위성에서 발신된 다수의 GPS반송파를 수신할 수 있도록 부이의 상면 및 DGPS기준국의 외면에 각각 배치되어 있는 다수의 GPS안테나와, 상기 DGPS기준국의 GPS안테나에서 수신한 GPS반송파를 기준으로 상기 부이의 GPS안테나에서 수신한 각각의 GPS반송파를 비교하는 GPS수신기와, 상기 GPS수신기에서 비교한 상기 부이의 실시간 변위를 출력하는 출력부 및, 상기 출력부를 통해 출력된 상기 부이의 실시간 변위 값과 이미 입력된 상기 부이의 설계 및 제작시의 변위 데이터 값을 비교 분석하여 상기 부이의 유속을 파악할 수 있도록 하는 비교분석수단을 포함하여 구성된다. 따라서, 본 발명에 의하면 GPS반송파를 이용한 유속측정 시스템이 한 번 구축되면 위성신호를 무료로 이용할 수 있고, 장비가 기계적 연결로 이루어지지 않아 유지보수 비용이 거의 소요되지 않을 뿐만 아니라, 출력한 데이터 값으로 수위, 유량 등의 측정에도 동시에 활용할 수 있다는 장점이 있다.

Description

ＧＰＳ반송파를 이용한 유속측정 시스템{FLOW VELOCITY MEASUREMENT SYSTEM USING GPS CARRIER}

본 발명은 GPS(Global Positioning System)반송파를 이용한 유속측정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 GPS위성에서 발신된 GPS반송파를 고정된 기준국의 안테나와 유속이 있는 유체에 떠있는 부이(buoy)에 각각 설치된 GPS안테나가 각각 수신하고, 이렇게 수신된 데이터 값을 비교하여 유속을 실시간으로 측정할 수 있도록 한 것이다.

종래의 유속측정 시스템은 주로 관내를 흐르는 유체의 속도를 측정하는 방법으로 관내의 압력차이를 측정하여 유속을 계산하는 방법이 가장 널리 쓰이고 있고, 최근에는 터빈휠, 전자기파, 초음파, 레이저 등을 이용한 방법들이 쓰이고 있다. 이상에서 거론한 대부분의 방법들은 관내를 흐르는 유체의 속도를 측정하는 것이지만, 노천을 흐르는 유체의 속도 측정에 위의 개념을 이용한 측정 장치를 이용하는 것은 적합하지 않다. 특히, 수자원에 대한 인식이 높아짐에 따라 수자원 관리를 효율적으로 하기 위해서는 유량 예측이 필수적인데, 이때 유속을 측정할 수 있는 시스템의 필요성이 증대되고 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출된 것으로, 최근 위치 측정 분야에 널리 응용되고 있는 GPS반송파를 이용한 정밀 위치 측정 방법을 이용하여 저수지, 댐, 하천, 강 등 노천에 흐르는 물 등의 유속을 측정하는 GPS반송파를 이용한 유속측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다수의 GPS위성에서 발신된 다수의 GPS반송파를 이용하여 유체의 실시간 속도를 측정하는 시스템에 있어서, 상기 다수의 GPS위성에서 발신된 다수의 GPS반송파를 수신할 수 있도록 상기 부이의 윗면에 설치된 GPS 안테나와 주변에 고정 설치된 DGPS 기준국의 외면에 각각 배치되어 있는 GPS안테나에서 수신한 각각의 GPS반송파를 수신하는 GPS수신기와, 상기 GPS수신기에서 수신한 데이터를 비교하여 상기 부이의 변위를 실시간으로 출력하는 출력부 및, 상기 출력부를 통해 출력된 상기 부이의 실시간 변위 값과 이미 입력된 상기 부이의 설계 및 제작시 계산된 항력계수와 단면적, 탄성체의 탄성계수, 그리고 당시 유체의 밀도 데이터를 이용하여 상기 부이의 유속을 파악할 수 있도록 하는 비교분석수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 GPS코드를 이용하여 일반적인 위치측정원리를 설명하는 도면.

도 2는 GPS반송파를 이용하여 정밀변위측정의 기본원리를 설명하는 도면.

도 3은 GPS의 공통오차를 소거시키기 위해 사용되는 DGPS의 기본원리를 설명하기 위한 개략도.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 GPS반송파를 이용한 유속 시스템을 설명하기 위한 개략도.

도 5는 도 4에 도시된 GPS반송파를 이용한 유속 측정 시스템을 설명하기 위한 블록도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : GPS위성 2 : GPS수신기

3 : 기준국 5 : GPS안테나

6 : 부이 (Buoy) 7 : 출력부

이하, 본 발명에 의한 GPS반송파를 이용한 유속측정 시스템의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, GPS에 관한 내용을 설명하면 다음과 같다.

약 20,000km 상공에 24개의 GPS위성으로 구성된 GPS는 무제한 수의 사용자가 지구상 어느 위치에서나 4개 이상의 위성이 관측 가능하도록 구성되어 있으므로, 민간 사용자는 95%의 확률로 약 20m 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 각각 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, 군부(軍府)는 L1과 L2를 모두 수신할 수 있도록 되어 있다.

도 1은 GPS코드를 이용하여 일반적인 위치측정원리를 설명하는 도면으로서, 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. 이때, 시간(Δt)은 상관기(correlator)를 이용하여 계산하는데, 코드칩(code 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(pseudo range)라 부른다.

이러한 제반적인 상황을 고려하여 GPS코드에 의해 측정된 위치오차는 약 20m정도인데, 이 정도의 오차라도 GPS는 다른 항법 시스템과는 달리 오차가 누적되지않는 특징이 있고, GPS수신기 가격이 점점 싸지고 있는 추세이므로 자동차, 선박, 항공기 등의 기본 항법 장비에도 널리 사용될 전망이다.

도 2는 GPS반송파를 이용하여 정밀위치측정의 기본원리를 설명하는 도면으로서, 현재의 시각(t)이 0, τ, t일 때, 위성에서 생성된 신호의 반송파 위상과, 수신기가 수신한 위성신호의 반송파 위상 및, 수신기가 생성한 반송파 위상에 대한 결과가 도시되어 있다.

현재의 시각(t)이 0일 경우에는 위성에서 생성된 신호의 반송파 위상과, 수신기가 수신한 위성신호의 반송파 위상 및, 수신기가 생성한 반송파 위상은 모두 0 이고, 현재의 시각(t)이 τ일 경우에는 위성에서 생성된 신호의 반송파 위상은 ｆ^s·τ이다. 또한, 수신기가 수신한 위성신호의 반송파 위상은 0이며, 수신기가 생성한 반송파 위상은 ｆ_r·τ이며, 현재의 시각(t)이 t일 경우에는 위성에서 생성된 신호의 반송파 위상은 ｆ^s·t이다. 또한, 수신기가 수신한 위성신호의 반송파 위상은 ｆ^s·(t-τ) 이고, 수신기가 생성한 반송파 위상은 ｆ_r·t이다. 여기에서, ｆ_r는 수신기에서 발생하는 반송파 주파수를 나타내고, ｆ^s는 위성에서 발생하는 반송파 주파수를 나타내며, τ는 위성을 출발한 위성신호가 수신기에 도달할 때의 시각을 나타낸다.

상술한 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.

도 3은 GPS의 공통오차를 소거시키기 위해 사용되는 DGPS의 기본원리를 설명하기 위한 개략도로서, DGPS는 GPS코드를 이용하여 위치를 측정할 경우에 발생하는 약 20m정도의 오차가 여러 수신기가 공통으로 갖고 있는 오차에 의해 대부분이 결정되므로, 이러한 공통 오차들을 소거하여 오차를 5m 내외까지 획기적으로 낮출 수 있도록 하는 방법이다. 그 원리를 간단하게 살펴보면, 미리 측량을 하여 위치를 정확히 알고 있는 기준국(3)에서 GPS위성(1)으로부터 GPS신호를 받아 계산된 오차를 주변의 사용자(4)에게 전달하여 사용자(4)가 자신의 위치 계산시 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 있는데, 이런 반송파를 이용한 정밀 위치 측정을 응용은 측지 분야, 지진 관측, 그리고 자세 결정 등 정밀한 위치 계산이 필요한 분야에 널리 응용될 전망이다.

이와 같은 특징을 갖는 GPS반송파를 이용하여 본 발명에 따른 GPS반송파를이용한 유속측정 시스템의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 한 실시 예에 따른 GPS반송파를 이용한 부이의 측정 시스템을 설명하기 위한 개략도이며, 도 5는 도 4에 도시된 GPS반송파를 이용한 유속측정 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.

도면에 도시한 바와 같이, 상공에 위치하는 GPS위성(1)에서 반송파를 전송한다(S1). 그러면, 발신된 GPS반송파를 부이(6)에 고정되어 있는 GPS안테나(5)와, DGPS(Differential GPS) 기준국(3)의 GPS안테나(5a)에서 각각 수신한다(S2). 이때, 각각의 GPS안테나(5,5a)는 최소한 4개의 GPS위성(1)에서 전송한 반송파를 수신하게 된다. 이렇게 GPS안테나(5,5a)에 각각 수신된 반송파는 유선으로 접속되어 있는 GPS수신기(2)에 전송된다. 이때, 기준국 GPS수신기와 부이의 GPS수신기가 이체형일 필요는 없고, 독립된 수신기를 각각 사용 가능하다. GPS수신기(2)에 각각의 반송파가 전송되면, GPS수신기(2)에서는 DGPS기준국(3)의 GPS안테나(5a)에서 수신한 반송파와 부이(6)의 GPS안테나(5)에서 각각 수신한 반송파를 비교한다(S3). 즉, 2종류의 GPS안테나(5,5a)에서의 측정값(고정된 GPS안테나(5a)와, 부이(6)와 같이 움직이는 GPS안테나(5)로부터 각각 측정된 값)을 GPS수신기(2)내에서 DGPS원리를 이용하여 공통오차를 소거하면, 부이(6)에 배치된 GPS안테나(5)의 움직임, 즉, 부이(6)의 거동을 정확하게 측정할 수 있게 된다(S4).

이때, DGPS기준국(3)의 GPS안테나(5)에서 수신한 반송파를 기준으로 부이(6)의 움직임을 비교하게 된다(S5). 왜냐하면, DGPS기준국(3)의 위치는 미리 측량을하여 정확히 알고 있으므로, DGPS기준국(3)의 DGPS안테나(5)에서 수신한 GPS반송파의 데이터 값과 미리 측량한 데이터 값을 소거시키면 항상 일정한 데이터 값을 산출할 수 있기 때문이다.

이렇게 비교된 데이터 값에 의해 부이(6)의 실시간 움직임이 출력부(7)를 통해 출력된다. 따라서, 출력부(7)를 통해 화면 출력된 부이의 움직임 데이터 값과 이미 입력된 탄성계수 값과 부이의 저항계수 그리고 유체의 밀도를 이용하여 유체의 유속을 계산한다(S6 및 S7).

이상에서 본 발명의 GPS반송파를 이용한 유속측정 시스템에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것으로서 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 GPS반송파를 이용한 유속측정 시스템은 한 번 구축되면 위성신호를 무료로 이용할 수 있고, 장비가 기계적 연결로 이루어지지 않아 유지보수 비용이 거의 소요되지 않을 뿐만 아니라, 출력한 데이터 값으로 수위, 유량 등의 측정에도 동시에 활용할 수 있다는 장점이 있다.

Claims

다수의 GPS위성에서 발신된 다수의 GPS반송파를 이용하여 유체의 실시간 속도를 측정하는 시스템에 있어서,

다수의 GPS위성에서 발신된 다수의 GPS반송파를 수신할 수 있도록 부이의 상면 및 DGPS기준국의 외면에 각각 배치되어 있는 다수의 GPS안테나;

상기 DGPS기준국의 GPS안테나에서 수신한 GPS반송파를 기준으로 상기 부이의 GPS안테나에서 수신한 각각의 GPS반송파를 비교하는 GPS수신기;

상기 GPS수신기에서 비교한 상기 부이의 실시간 변위를 출력하는 출력부; 및,

상기 출력부를 통해 출력된 상기 부이의 실시간 변위 값과 이미 입력된 상기 부이의 설계 및 제작시의 변위 데이터 값을 비교 분석하여 상기 부이의 유속을 파악할 수 있도록 하는 비교분석수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 GPS반송파를 이용한 유속측정 시스템.
제1항에 있어서, 상기 부이의 종류와 개수를 다양하게 함으로써 탄성체의 변형을 측정하고, 이를 바탕으로 하여 유속을 측정하는 것을 특징으로 하는 GPS반송파를 이용한 유속측정 시스템.