KR20040013050A - Ｇｐｓ를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템에 관한 것으로, 지각변위 측정기술과 실시각 이동측량 기술(RTK)를 응용한 상시 기준국과 가스 시설물에서 관측된 GPS 반송파와 정밀 GPS 위성 궤도자료, 고정밀 자료처리기법을 이용하여 장기적으로 수 mm, 준 실시각으로는 수 cm의 정밀도를 갖는 가스기지내 시설물과 가스배관을 포함한 가스 구조물의 3차원 변형을 측정하고 감시할 수 있도록 함에 그 목적이 있다. 이를 위해 구성되는 본 발명은 상공에서 지구 주위를 돌며 전파신호를 전송하는 GPS 위성군; 가스기지 시설물과 가스 구조물에 설치되어 GPS 위성군으로부터 전송되는 전파신호를 수신하는 한편 관측 대상물의 관측지점에 대한 3차원 변위와 움직임을 감시하는 GPS 관측수단; GPS 관측수단과 국가 GPS 기준망의 GPS 반송파 관측자료 및 국제 GPS 관측망으로부터 제공되는 궤도력을 제공받는 한편 각각의 GPS 관측수단을 원격으로 제어하는 감시센터서버; 수신된 관측자료와 궤도력을 저장하는 자료수집DB서버; 자료수집DB서버에 저장된 GPS 반송파 관측자료와 궤도력을 근거로 대상 시설물과 구조물의 변형에 따른 변위를 계산하는 자료처리서버; 자료처리서버를 통해 계산된 변위를 디스플레이하는 감시상황표시장치; 각각의 GPS 관측수단과 감시센터서버 및 국가 GPS 기준망과 감시센터서버를 연결하여 GPS 반송파 관측자료의 수신과 원격제어 신호를 전달할 수 있도록 하는 유무선통신망; 및 국제 GPS 관측망과 감시센터서버를 연결하여 국제 GPS 관측망으로부터 제공되는 궤도력을 제공받을 수 있도록 하는 인터넷망을 포함하여 이루어진다.

Description

ＧＰＳ를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템{System for monitoring the gas pipe deformation using GPS}

본 발명은 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인공위성을 이용한 위치결정 시스템인 GPS(Global Positioning System)의 반송파 관측자료를 처리하여 가스기지의 시설물과 가스배관을 포함한 가스 시설물의 3차원 변형을 측정하고 감시하는 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 여러 지역을 지나는 가스배관과 가스 공급기지의 시설 중에는 매립지 등의 연약지반을 통과하거나 그 위에 시설된 것들이 있어 지반의 불균형에 의한 침하로 인하여 가스배관 및 가스 시설물의 변형이 유발되는 문제가 있다. 이러한 경우 자칫 가스 유출 등의 대형사고를 야기시킬 수 있는 문제가 있다. 몇몇 기지와 가스배관의 경우 1년에 수 cm 혹은 그 이상의 변형이 일어나는 것으로 추정되나 현재로서는 그 정확한 변형량을 상시적으로 자동 측정하고 감시할 수 있는 시스템이 개발되어 있지 않은 실정이다.

따라서, 가스 공급의 안전성을 확보하기 위해서는 연약지반에 위치한 가스배관과 기스기지내 시설의 변형량을 상시 측정하고 총체적으로 감시할 수 있는 체계의 구축과 관련기술의 개발이 매우 중요하다. 특히, 국토개발 및 집단 이기주의에 의해 위험성을 내포하는 중요 시설물이 매립지나 지반의 취약지역에 건설되고 있어 안전성 감시를 위한 지반침하 및 구조물 변형감시의 필요성이 크게 대두되고 있다.

한편, 기존에는 가스배관의 변형을 측정하기 위해 수준측량 방법이 사용되어 왔으나, 상시적인 대규모 측정이 어렵고 인력과 시간이 많이 소요되는 단점을 가지고 있다. 또한, 지반 또는 구조물의 변형을 측정하기 위하여 속도계나 가속도계를 이용하는 방법이 사용되고 있다.

전술한 바와 같은 지반 또는 구조물의 변형을 측정하기 위한 방법 중 속도계를 이용한 변위측정의 경우에는 낮은 주파수를 갖는 구조물의 변형측정에 적합하지 않으며, 변형범위가 광범위하거나 기준점으로부터 거리가 멀어지면 변형측정이 어렵다는 단점이 있다. 그리고, 가속도계를 이용한 변형측정의 경우에는 지반 또는 구조물에 가속도계를 설치하고 주파수 및 모드 스펙트럼 해석법을 이용하여 변형측정을 수행하지만 결과의 부정확성 문제가 대두된다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 지각변위 측정기술과 실시각 이동측량 기술(RTK)을 응용한 상시 기준국과 가스 시설물에서 관측된 GPS 반송파와 정밀 GPS 위성 궤도자료, 고정밀 자료처리기법을 이용하여 장기적으로 수 mm, 준 실시각으로는 수 cm의 정밀도를 갖는 가스기지내 시설물과 가스배관을 포함한 가스 구조물의 3차원 변형을 측정하고 감시할 수 있도록 한 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

나아가, 본 발명은 지각변위 측정기술과 실시각 이동측량 기술(RTK)을 응용한 기준국과 가스 시설물에서 관측된 GPS 반송파와 정밀 GPS 위성 궤도자료, 고정밀 자료처리기법의 3차원 변형 감시 시스템을 통해 지반의 불균형에 의한 침하로인하여 가스배관 및 가스 시설물의 변형을 감시하고 측정함으로써 가스 유출 등의 대형사고를 야기시킬 수 있는 문제를 사전에 방지할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

도 1 은 일반적인 GPS 상시 기준망을 보인 배치도.

도 2 는 본 발명에 따른 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템을 설명하기 위한 개략도.

도 3 은 본 발명에 따른 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템을 통해 최종 결과를 얻기 위해 운영되는 자료처리 과정을 설명하기 위한 블럭도.

도 4a, 4b, 4c 는 본 발명의 시스템을 통해 인천 일도 공급관소내 배관의 동서(a), 남북(b) 및 상하(c) 움직임을 관측한 그래프.

도 5a, 5b, 5c 는 본 발명의 시스템을 통해 조치원 공급관소내 배관의 동서(a), 남북(b) 및 상하(c) 움직임을 관측한 그래프.

도 6a, 6b, 6c 는 본 발명의 시스템을 통해 인천 일도 관리소내 건물의 동서(a), 남북(b) 및 상하(c) 움직임을 관측한 그래프.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

100. 감시 시스템 110. GPS 위성군

120. GPS 관측수단 130. 감시센터서버

140. 자료수집DB서버 150. 자료처리서버

160. 감시상황표시장치 170. 유무선통신망

180. 인터넷망 200. 국가 GPS 기준망

300. 국제 GPS 관측망

전술한 목적을 달성하기 위해 구성되는 본 발명의 다음과 같다. 즉, 본 발명에 따른 가스기지의 시설물과 가스배관을 포함한 가스 구조물의 변형을 인공위성을 이용한 위치결정 시스템인 GPS를 이용하여 측정하고 감시하기 위한 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템에 있어서, 지상고도 약 20,000km 상공에서 하루에 두 바퀴씩 지구 주위를 돌며 전파신호를 전송하는 GPS 위성군; 가스기지 시설물과 가스 구조물에 하나 혹은 그 이상으로 설치되어지되 GPS 위성군으로부터 전송되는 전파신호를 주파수 반송파 측정값으로 수신하여 관측 대상물의 관측지점에 대한 3차원 변위뿐만 아니라 설치 대상영역의 3차원 움직임을 감시하는 GPS 관측수단; 각각의 GPS 관측수단을 통해 관측된 GPS 반송파 관측자료와 고정밀 위치결정이 완료된 국가 GPS 기준망의 GPS 반송파 관측자료 및 국제 GPS 관측망(IGS : International GPS Service)으로부터 제공되는 궤도력을 사후 내지 준 실시각으로 제공받는 한편 각각의 GPS 관측수단을 원격으로 제어하는 감시센터서버; 감시센터서버로 수신된 GPS 관측수단을 통해 관측된 GPS 반송파 관측자료와 고정밀 위치결정이 완료된 국가 GPS 기준망의 GPS 반송파 관측자료 및 국제 GPS 관측망으로부터 제공되는 궤도력을 저장하는 자료수집DB서버; 자료수집DB서버에 저장된 GPS 반송파 관측자료와 궤도력의 자료를 근거로 고정밀 자료처리 프로그램을 통해 대상 시설물과 구조물의 변형에 따른 밀리미터 단위의 변위를 계산하는 자료처리서버; 자료처리서버를 통해 계산된 대상 시설물과 구조물의 변형에 따른 밀리미터 단위의 변위를 디스플레이하는 감시상황표시장치; 각각의 GPS 관측수단과 감시센터서버 및 국가 GPS 기준망과 감시센터서버를 연결하여 GPS 관측수단과 국가 GPS 기준망에 의해 관측된 GPS 반송파 관측자료의 수신과 원격제어 신호를 전달할 수 있도록 하는 유무선통신망; 및 국제 GPS 관측망과 감시센터서버를 연결하여 국제 GPS 관측망으로부터 제공되는 궤도력을 제공받을 수 있도록 하는 인터넷망을 포함하여 이루어진다.

전술한 바와 같은 구성에서 가스기지 시설물에 설치되는 GPS 관측수단은 지각변위 측정기술인 상대측위 기법에 의한 장기적인 변형을 측정할 수 있도록 하고, 가스배관에 설치되는 GPS 관측수단은 실시각 이동측량 기술인 RTK 기법에 의한 실시각 감시가 이루어질 수 있도록 한 구성으로 이루어진다. 이때, RTK를 이용한 가스배관의 실시각 감시는 모든 가스배관에 설치되는 것이 아니라 변형이 심한 주요 가스배관에 한시적으로 설치 운용함이 보다 적당하다.

전술한 바와 같은 RTK 기법을 이용한 하는 경우 별도의 전용회선과 RTK용 통신단말기가 더 구비될 수 있다.

전술한 GPS 관측수단은 GPS 위성군으로부터 전송되는 반송파 신호를 수신하기 위한 GPS 안테나; GPS 안테나를 통해 수신되는 GPS 위성군의 반송파 신호를 수신하여 일정시간 단위로 관측자료를 자체내의 기억장치에 저장하는 GPS 수신기; GPS 안테나와 GPS 수신기를 연결하는 안테나 케이블; 및 GPS 수신기에 전원을 공급하기 위한 전원공급장치로 이루어질 수 있다. 이때, 전술한 GPS 안테나는 이중 주파수 안테나로 이루어지며, GPS 수신기는 고정밀 측지용 이중 주파수 반송파 관측을 수행하는 구성으로 이루어진다.

한편, 국제 GPS 관측망으로부터 제공되는 궤도력은 당일의 예측궤도력과 전세계 GPS 기준점의 관측자료로부터 추출하여 14일 경과된 후에 제공되는 정밀궤도력으로 이루어진다.

그리고, 전술한 GPS 관측수단을 통해 관측된 GPS 반송파 관측자료는 고정밀 자료처리기법을 적용하기 위해 국제 GPS 관측망에서 제안된 GPS 관측자료 저장 형태인 RINEX(Receiver INdependent EXchange format)로 변환 저장되는 구성으로 이루어진다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에서 기술된 가스 시설물은 GPS 관측수단이 설치되는 지역의 가스기지 즉, 연약지반을 의미하고, 구조물은 GPS 관측수단이 설치되는 가스배관을 포함한 가스 구조물을 의미한다. 따라서, 본 발명의 기술에서는 가스 시설물 및 가스 구조물 혹은 지반 및 구조물 중 어느 하나로만 표현하지 않고 병행하여 표현하기로 한다.

도 1 은 일반적인 국가 GPS 기준망을 보인 배치도이다.

도 1 은 현재 범국가적으로 설치되어 운용되고 있는 GPS 상시 기준망의 배치를 보인 것으로, 지상고도 약 20,000km 상공에서 하루에 두 바퀴씩 지구 주위를 돌고 있는 수십 개의 인공위성을 이용하여 지상의 정밀 위치를 측정할 수 있는 인공위성을 이용한 범지구 위치측정시스템인 GPS(Global Positioning System)가 세계 각 국에서 다양한 분야에 사용되고 있다.

전술한 바와 같이 GPS를 이용한 위치측정 기법은 크게 하기의 표 1 과 같이 구분되며, GPS를 이용한 위치측정 기법 중에서 단독측위와 DGPS(Differential GPS) 기법은 가스배관 변형 감시에는 부적절하기 때문에 본 발명의 시스템에서는 상대측위와 RTK 기법을 이용한 방법이 사용된다.

GPS의 측위기법과 정확도

기법	내용	정확도	특기사항
단독측위	☞ GPS수신기 1대로 위치측정	20m	- 이동체 실시각 항법용
DGPS(Differential GPS)	☞ 측량용과 항법용 수신기를 결합하여 이동체의 실시각 정밀위치 측정	1∼5m	- 기준망과 통신망 필요- 이동체 정밀 항법용
후처리상대측위(Static Survey)	☞ 2대 이상의 측량용 GPS 수신기로 반송파를 이용하여 고정밀 상대위치 측정	수 mm	- 실시각 불가능- 가스기지 시설물 감시
RTK(Real Time Kinematic)	☞ 2대 이상의 측량용 수신기로 반송파를 이용하여 실시각 고정밀 위치 측정	1∼2cm	- 기준망과 통신망 필요- 위험배관 준 실시각 감시

전술한 바와 같은 GPS를 이용한 위치측정 기법에서 상대측위의 경우는 실시각 감시가 불가능한 반면에 1년 이상의 장기적인 측정을 할 경우에 3차원 변형을 수 mm의 정밀도로 감시할 수 있어 가스기지내 시설 등의 항구적인 감시에 적합하다. 이때, 가스기지 GPS 감시소 주변에 별도의 GPS 기준망이 필요하며, 상업용이 아닌 과학용 고정밀 자료처리 기술이 사용되어야 한다.

그리고, RTK의 경우 어떠한 변형이든 준 실시각으로 1 ∼ 2 cm의 정밀도로측정이 가능하므로 주요 위험배관의 감시에 적합하다. 이러한 기법을 이용하기 위해서는 감시소 주변에 GPS 기준망과 더블어 감시소와 기준망을 연결할 수 있는 무선 통신망이 부가적으로 구비된다.

전술한 상대측위와 RTK 기법에 필요한 GPS 기준망은 현재 국가에서 이미 구축한 도 1 의 국가 GPS 상시 기준망과 FM 부가방송 등의 통신망을 이용하면 된다. 표 2 는 가스 시설물의 현장별 기술접근 방법을 요약한 것이다.

현장별 기술접근 방법

현장구분	접근방법	정밀도
가스기지 시설물	☞ 상대측위 기법에 의한 장기적인 변형을 측정	수 mm
가스배관	☞ RTK 기법을 이용하여 실시각 변형을 감시	1∼2 cm

한편, GPS를 이용하면 어느 한 지점의 3차원 변위량을 수 mm의 정밀도로 측정할 수 있으므로 이러한 기술을 가스배관의 침하량 측정에 적용한다면 연약지반에 놓인 가스배관을 포함한 구조물과 가스기지내 시설물의 변형량을 장기적으로는 수 mm, 준 실시각으로는 수 cm의 정밀도로 측정하고 감시할 수 있다.

도 2 는 본 발명에 따른 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템을 설명하기 위한 개략도, 도 3 은 본 발명에 따른 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템을 통해 최종 결과를 얻기 위해 운영되는 자료처리 과정을 설명하기 위한 블럭도이다.

먼저, 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템(100)은 지상고도에서 하루에 두 바퀴씩 지구 주위를 돌며전파신호를 전송하는 GPS 위성군(110), 가스기지 시설물(10)과 가스 구조물(20)에 하나 혹은 그 이상으로 설치되어 관측 대상물(10, 20)의 관측지점에 대한 3차원 변위뿐만 아니라 설치 대상영역의 3차원 움직임을 감시하는 GPS 관측수단(120), 각각의 GPS 관측수단(120)을 통해 관측된 GPS 반송파 관측자료와 고정밀 위치결정이 완료된 국가 GPS 기준망(200)의 GPS 반송파 관측자료 및 국제 GPS 관측망(300)으로부터 제공되는 궤도력을 사후 내지 준 실시각으로 제공받는 한편 각각의 GPS 관측수단(120)을 원격으로 제어하는 감시센터서버(130), GPS 관측수단(120)을 통해 관측된 GPS 반송파 관측자료와 고정밀 위치결정이 완료된 국가 GPS 기준망(200)의 GPS 반송파 관측자료 및 국제 GPS 관측망(300)으로부터 제공되는 궤도력을 저장하는 자료수집DB서버(140), 자료수집DB서버(140)에 저장된 GPS 반송파 관측자료와 궤도력의 자료를 근거로 대상 시설물(10)과 구조물(20)의 변형에 따른 변위를 계산하는 자료처리서버(150), 자료처리서버(150)를 통해 계산된 대상 시설물(10)과 구조물(20)의 변형에 따른 변위를 디스플레이하는 감시상황표시장치(160), GPS 관측수단(120)과 감시센터서버(130) 및 국가 GPS 기준망(200)과 감시센터서버(130)를 연결하여 GPS 관측수단(120)과 국가 GPS 기준망(200)에 의해 관측된 GPS 반송파 관측자료의 수신과 원격제어 신호를 전달할 수 있도록 하는 유무선통신망(170) 및 국제 GPS 관측망(300)과 감시센터서버(130)를 연결하여 국제 GPS 관측망(300)으로부터 제공되는 궤도력을 제공받을 수 있도록 하는 인터넷망(180)을 포함하여 이루어진다.

전술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템(100)은 관측 대상물인 가스기지 시설물(10)과 가스 구조물(20)에 설치된 하나 혹은 그 이상으로 설치된 GPS 관측수단(120)을 통해 GPS 위성군(110)으로부터 전송되는 전파신호를 주파수 반송파 측정값으로 수신하여 관측 대상물(10, 20)의 관측지점에 대한 3차원 변위뿐만 아니라 설치 대상영역의 3차원 움직임을 감시하게 된다. 이때, GPS 관측수단(120)의 감시에 따른 GPS 반송파 관측자료는 자체내의 기억장치에 저장된 후 준 실시각으로 유무선통신망(170)을 통해 감시센터서버(130)측의 자료수집DB서버(140)로 수집 저장된다.

한편, 감시센터서버(130)측의 자료수집DB서버(140)로는 GPS 관측수단(120)의 감시에 따른 GPS 반송파 관측자료는 물론, 고정밀 위치결정이 완료된 국가 GPS 기준망(200)의 GPS 반송파 관측자료와 국제 GPS 관측망(300)으로부터 제공되는 궤도력을 사후 내지 준 실시각으로 수집 저장된다.

전술한 바와 같이 자료수집DB서버(140)에 수집 저장된 감시센터서버(130)와 국가 GPS 기준망(200)의 GPS 반송파 관측자료 및 국제 GPS 관측망(300)으로부터 제공된 궤도력을 근거로 하여 자료처리서버(150)에서는 고정밀 자료처리 프로그램을 통해 대상 시설물(10)과 구조물(20)의 변형에 따른 밀리미터 단위의 변위를 계산하게 된다. 이때, 고정밀 자료처리 프로그램(S/W)으로는 Bernese 4.2, GIPSY OASIS, Multi Ref 등을 이용한다.

전술한 자료처리서버(150)에 의해 대상 시설물(10)과 구조물(20)의 변형에 따른 밀리미터 단위의 변위까지 계산된 데이터는 감시센터 내의 감시상황표시장치(160)를 통해 디스플레이되어 감시센터 관련자로 하여금 눈으로확인할 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 GPS를 이용한 가스 시설물 감시 시스템(100)을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 먼저, 본 발명에 따른 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템(100)의 구축에 필요한 관련 핵심기술은 우선, 가스기지내 시설물(10) 및 가스배관을 포함한 구조물(20)에 무인 GPS 관측수단(120)을 설치하여 GPS 감시망을 구축하여야 한다. 이러한, GPS 관측수단(120)에는 고정밀 측지용 2주파 GPS 수신기, GPS 안테나, 전원공급장치 및 안테나 케이블 등이 포함된다.

한편, 가스기지의 경우 RTK를 이용하여 주요 가스배관의 변형을 실시각으로 감시하기 위해서는 별도의 전용회선이 필요하며 RTK용 통신단말기가 추가되어야 하기 때문에 유지비용이 대폭 증가하게 된다. 따라서, RTK 기법을 이용한 가스배관의 실시각 감시는 모든 가스배관에 설치할 것이 아니라 변형이 심한 주요 가스배관에 한시적으로 설치하여 운용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 GPS를 이용한 가스 시설물 감시 시스템(100)은 GPS 관측수단(120)을 감시센터에서 원격으로 자동 제어하는 기술이 개발되어야 하고, GPS 관측수단(120)에서 수신한 데이터를 감시센터에서 자동으로 수집하여 저장 및 관리할 수 있는 DB기술의 개발 역시 중요하다. 더구나, 수집된 데이터를 감시센터서버(130)에서 용도에 따라 하루 단위 혹은 준 실시각으로 고정밀 자동 처리하는 기술의 개발과 처리결과를 감시상황표시장치(160)에 나타내는 그래픽 기술의 개발이 이루어져야 한다.

도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이 국가 GPS 기준망(200)은 도 1 에서와 같이 향후 국가적인 산업 인프라 차원에서 구축될 GPS망을 의미하고, 본 발명에서 제안하고 있는 가스 GPS 감시망에서는 국가 GPS 기준망(200)으로부터 기준점의 데이터를 제공받는다.

그리고, 국제 GPS 관측망(IGS : International GPS Service, 300)은 현재 전세계 약 200여개 GPS 관측소가 참여하고 있는 국제적인 GPS망을 의미하고 가스 GPS 감시망은 IGS에서 제공하는 정밀궤도력 혹은 신속정밀력을 이용하여 가스 시설물(10)의 변형을 고정밀하게 측정한다. IGS의 GPS 정밀궤도력은 관측 후 약 14일 후에 산출되고 예측궤도력은 약 1일 전에 공표되고 있다. 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이 GPS 감시망 구축에 있어 감시센터가 비중 있는 역할을 담당하고 있으므로 감시센터에 필요한 핵심기술의 개발 및 장비의 지원이 원활하게 이루어져야 함은 당연할 것이다.

한편, 본 발명은 앞서도 기술한 바와 같이 GPS의 반송파를 이용하여 가스 시설물의 3차원 변위를 측정하고, 이를 안정성 평가에 활용할 수 있도록 하는 GPS 후처리기법과 RTK 기법을 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템에 관한 것으로, 지구중심의 정밀위치 및 지각이동속도가 결정된 국가 GPS 기준망(200)에서 취득한 일정단위 시간의 GPS 반송파 관측자료와 변형을 감시하고자 하는 대상 시설물(10)에서 관측된 동일시간대의 GPS 반송파 관측자료를 사후 내지 준 실시각으로 취합하고, 국제 GPS 관측망(IGS, 300)에서 제공하는 GPS 위성의 정밀궤도력과 고정밀 자료처리 프로그램을 이용하여 2cm 이하의 변형 감시를 가능하게 한다.

전술한 구성에서 국가 GPS 기준망(200)과 대상 지반(10) 또는 구조물(20)에설치된 GPS 수신기는 이중 주파수 반송파 관측을 수행하며, 일정시간 단위로 관측자료를 자체내의 기억장치에 저장한다. 이때, 변형을 감시하고자 하는 대상물(10, 20)에 하나의 GPS 관측수단(120)을 설치하면 기준점에 대한 3차원 변위를 감시할 수 있으며, 다수의 GPS 관측수단(120)을 설치할 경우에는 각 관측지점의 변위뿐만 아니라 설치 대상영역의 3차원 움직임을 감시할 수 있다.

한편, 각 지점에서 관측된 GPS 반송파 관측자료는 유무선통신망(170)을 통해 감시센터서버(130)측의 자료수집DB서버(140)로 수집 및 취합되어 고정밀 자료처리 기법을 적용하기 위한 국제 GPS 관측망(300)에서 제안한 GPS 관측자료 저장형태인 RINEX(Receiver INdependent EXchange format)로 변환 저장된다. 그리고, 감시센터서버(130)는 고정밀 변위 측정을 위하여 국제 GPS 관측망(300)에서 제공하는 GPS 위성의 궤도력을 인터넷망(180)을 이용하여 취득한다.

전술한 궤도력은 예측된 관측당일의 GPS 궤도자료를 갖는 예측궤도력과 전세계 GPS 기준점의 관측자료로부터 추출하여 이주일 경과 된 후 작성되어 제공되는 정밀궤도력이 있다. 이때, 예측궤도력에서 제공하는 GPS 위성의 위치정보는 약 50cm의 오차를 가지며, 정밀궤도력의 경우 5cm 정도의 오차를 가지므로 사용하는 궤도력에 따라 변위 결정능력에서 2내지 3mm의 차이를 보이게 된다.

본 발명의 GPS 반송파 처리기법을 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템(100)에서는 두 종류의 정밀궤도력을 모두 사용하며, 예측궤도력을 이용한 RTK 정밀궤도력이 입수되는 이 주일이 경과된 후 고정밀 변위 결정을 수행한다. GPS 시스템의 위치결정에 영향을 미치는 각 오차에 대한 보정모델을 설정할 수 있는 고정밀 자료처리서버(150)에서는 취합된 GPS 반송파 관측자료와 정밀궤도력을 사용하여 밀리미터 단위의 변위를 검출토록 하며, 감시상황표시장치(160)를 통해 이를 디스플레이 한다. 이처럼, 본 발명에 따른 감시 시스템(100)은 지속적인 GPS 관측 및 자료처리를 통하여 대상 지반 및 구조물(10, 20)의 침하 또는 변형의 감시가 가능하도록 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 앞서 설명한 바와 같은 GPS 반송파 처리기법을 이용한 대상 가스 시설물(지반 및 구조물)의 변형 감시 시스템의 바람직한 실시 예를 설명한다.

도 2 는 앞서 설명한 바와 같은 특징을 갖는 GPS 후처리 기법을 이용한 지반 및 구조물 변형 감시 시스템을 설명하기 위한 것으로, 도 2 에 도시된 바와 같이 지상 약 20,000km 상공에 24개로 이루어진 GPS 위성군(110)이 24시간 신호를 전송하며, 대상 지반 및 구조물(10, 20 : 가스기지 시설물 및 가스 구조물)에는 하나 또는 그 이상의 GPS 관측수단(120)이 설치된다. 이때, GPS 관측수단(120)은 GPS 반송파 신호를 수신할 수 있는 이중 주파수 안테나인 GPS 안테나, GPS 수신기, 안테나 케이블, 전원공급장치로 구성되며, GPS 안테나는 GPS 위성군(110)으로부터 전송되는 반송파를 정확히 수신하기 위하여 가능한 한 시야확보가 용이한 지점에 설치되어야 한다. GPS 수신기는 전원공급 능력 및 안테나 케이블의 길이 및 통신매체의 확보 조건에 따라 적절히 배치된다.

그리고, 전술한 바와 같은 구성과 함께 고정밀 위치결정이 완료된 국가 GPS 기준망(200)의 GPS 반송파 관측자료를 수집할 수 있는 통신수단을 확보하여야 한다. 일정 단위 시간의 관측이 종료되면 감시센터 내의 자료수집DB서버(140)에서 관측자료를 수집할 수 있도록 유무선통신망(170)을 설치하여야 하고, 국제 ,GPS 관측망(300)에서 제공되는 당일의 예측궤도력 및 14일 후에 제공되는 정밀궤도력을 취득하기 위해 인터넷망(180)을 유지하여야 한다. 이러한 과정을 거쳐 수집된 모든 자료들은 자료수집DB서버(140)에 저장 관리된다. 자료처리서버(150)는 취합된 관련자료들을 이용하여 고정밀 3차원 변위결정 작업을 수행하고, 이를 감시상황표시장치(160)를 통해 적절한 형태로 디스플레이한다.

도 3 은 도 2 에 도시된 GPS 반송파 처리기법을 이용한 가스 시설물(지반 및 구조물) 변형 감시 시스템(100)에서 최종 결과를 얻기 위해 운영되는 자료처리 과정들을 설명하기 위한 블럭도로, GPS 위성군(110)으로부터 전송되는 전파신호는 관측대상인 가스기지의 지반(10) 및 가스배관을 포함한 가스 구조물(20)에 설치된 하나 또는 그 이상의 GPS 관측수단(120)에서 이중 주파수 반송파 측정값으로 수신된다. 이때, 준 실시각 변위 측정을 위하여 일정 시간단위로 관측자료를 GPS 수신기 자체 내에 저장하며, 이와 동시에 고정밀 위치결정이 완료된 국가 GPS 기준망(200)에서도 반송파 관측작업이 진행된다.

한편, 일정 단위 시간의 관측이 종료되면 감시센터서버(130)는 자료수집DB서버(140)와 연결된 유무선통신망(170)을 이용하여 원격제어 명령을 대상 GPS 관측수단(120)에 전달하고, 이에 따라 모뎀을 포함한 유무선통신망(170)을 통해 해당 관측자료를 수집하게 된다. 이때, 국가 GPS 기준망(200)에서 수집된 관측자료도 같은 방법으로 동시에 수집한다. 국제 GPS 관측망(300)에서 제공되는 당일의 예측궤도력 및 14일 후에 제공되는 정밀궤도력을 매일 한 번 정해진 시간에 인터넷망(180)을 통해 자료처리 이전에 입수하여야 한다. 수집된 관측자료 및 예측궤도력은 자료처리서버(150)로 전송되며, 고정밀 GPS 자료처리 기법에 따라 후처리된다.

전술한 바와 같은 과정을 통해 자료처리서버(150)에서 얻어진 3차원 변위값은 다시 자료수집DB서버(140)에 전송되어 저장되고, 감시상황표시장치(160)로 전달되어 가스 시설물(10, 20)의 3차원 변위를 준 실시각으로 도시하게 된다. 이와 함께 자료처리서버(150)에서는 14일 후에 제공되는 국제 GPS 관측망(300)의 정밀궤도력을 이용하여 일 단위로 후처리하여 고정밀 변위를 결정하고, 이를 자료수집DB서버(140) 및 감시상황표시장치(160)에 전달하여 준 실시각 자료처리 결과와 함께 표시하도록 한다. 감시상황표시장치(160)로는 일반적으로 모니터를 이용한다.

도 4a, 4b, 4c 는 본 발명의 시스템을 통해 인천 일도 공급관소내 배관의 동서(a), 남북(b) 및 상하(c) 움직임을 관측한 그래프, 도 5a, 5b, 5c 는 본 발명의 시스템을 통해 조치원 공급관소내 배관의 동서(a), 남북(b) 및 상하(c) 움직임을 관측한 그래프, 도 6a, 6b, 6c 는 본 발명의 시스템을 통해 인천 일도 관리소내 건물의 동서(a), 남북(b) 및 상하(c) 움직임을 관측한 그래프이다.

도 4 내지 도 6 은 본 발명에 따른 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템(100)을 통해 인천 일도 공급관소내의 배관과 조치원 공급관소내의 배관 및 인천 일도 관리소내 건물의 움직임을 관측하여 그래프로 표시한 것이다. 이처럼 본 발명에 따른 기술은 시스템인 GPS(Global Positioning System)의 반송파 관측자료를 처리하여 가스기지의 시설물과 가스배관을 포함한 가스 시설물의 3차원 변형을 측정하고 감시할 수가 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면 각각의 가스 시설물(가스배관이 통과하는 연약지반, 가스 구조물이 설치된 지반, 가스 시설물이 설치되는 지반 등) 및 가스배관을 포함한 가스 구조물의 변형 상태를 감시센터의 상황실에서 모니터를 통해 총괄적으로 감시할 수가 있다.

본 발명은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면 기 구축된 국가 gps 기준망과 통신망을 적극 활용하여 비용을 최소화하면서 가스기지 시설물에 대해서는 변형량을 수 mm의 정밀도로 감시할 수 있다. 또한, 가스배관을 포함한 가스 구조물에 대해서는 RTK 기법을 이용하여 변형을 1∼2cm의 정밀도로 준 실시각으로 감시가 가능하므로 지반의 불균형 침하에 따른 가스배관 및 구조물의 변형에 따른 가스 유출 등의 대형사고를 사전에 감지하고 예방할 수가 있다.

한편, 본 발명에 따르면 GPS 관측수단을 무인으로 운영함은 물론, 감시센터에서 자동으로 각각의 GPS 관측수단을 원격제어하고, 또한 관측자료의 수집과 저장 및 관리를 자동화함으로써 관리요원을 최소화할 수 있다.

나아가, 본 발명은 기존의 변형감시에 비해 상시적이고 자동화된 총체적인 변형감시가 가능하기 때문에 가스 시설물의 안정성 평가 등에 효과적이고 유용하게사용할 수 있다.

Claims (8)

1. 가스기지의 시설물과 가스배관을 포함한 가스 구조물의 변형을 인공위성을 이용한 위치결정 시스템인 GPS를 이용하여 측정하고 감시하기 위한 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템에 있어서,

   지상고도 약 20,000km 상공에서 하루에 두 바퀴씩 지구 주위를 돌며 전파신호를 전송하는 GPS 위성군;

   상기 가스기지 시설물과 가스 구조물에 하나 혹은 그 이상으로 설치되어지되 상기 GPS 위성군으로부터 전송되는 전파신호를 주파수 반송파 측정값으로 수신하여 관측 대상물의 관측지점에 대한 3차원 변위뿐만 아니라 설치 대상영역의 3차원 움직임을 감시하는 GPS 관측수단;

   상기 각각의 GPS 관측수단을 통해 관측된 GPS 반송파 관측자료와 고정밀 위치결정이 완료된 국가 GPS 기준망의 GPS 반송파 관측자료 및 국제 GPS 관측망(IGS : International GPS Service)으로부터 제공되는 궤도력을 사후 내지 준 실시각으로 제공받는 한편 각각의 GPS 관측수단을 원격으로 제어하는 감시센터서버;

   상기 감시센터서버로 수신된 GPS 관측수단을 통해 관측된 GPS 반송파 관측자료와 고정밀 위치결정이 완료된 국가 GPS 기준망의 GPS 반송파 관측자료 및 국제 GPS 관측망으로부터 제공되는 궤도력을 저장하는 자료수집DB서버;

   상기 자료수집DB서버에 저장된 GPS 반송파 관측자료와 궤도력의 자료를 근거로 고정밀 자료처리 프로그램을 통해 대상 시설물과 구조물의 변형에 따른 밀리미터 단위의 변위를 계산하는 자료처리서버;

   상기 자료처리서버를 통해 계산된 대상 시설물과 구조물의 변형에 따른 밀리미터 단위의 변위를 디스플레이하는 감시상황표시장치;

   상기 각각의 GPS 관측수단과 감시센터서버 및 국가 GPS 기준망과 감시센터서버를 연결하여 GPS 관측수단과 국가 GPS 기준망에 의해 관측된 GPS 반송파 관측자료의 수신과 원격제어 신호를 전달할 수 있도록 하는 유무선통신망; 및

   상기 국제 GPS 관측망과 감시센터서버를 연결하여 국제 GPS 관측망으로부터 제공되는 궤도력을 제공받을 수 있도록 하는 인터넷망을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스기지 시설물에 설치되는 GPS 관측수단은 지각변위 측정기술인 상대측위 기법에 의한 장기적인 변형을 측정할 수 있도록 하고, 상기 가스배관에 설치되는 GPS 관측수단은 실시각 이동측량 기술인 RTK 기법에 의한 실시각 감시가 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 RTK 기법을 이용한 가스배관의 실시각 감시는 모든 가스배관에 설치되는 것이 아니라 변형이 심한 주요 가스배관에 한시적으로 설치 운용되는 것을 특징으로 하는 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 RTK 기법을 이용한 하는 경우 별도의 전용회선과 RTK용 통신단말기가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 GPS 관측수단은 상기 GPS 위성군으로부터 전송되는 반송파 신호를 수신하기 위한 GPS 안테나;

   상기 GPS 안테나를 통해 수신되는 상기 GPS 위성군의 반송파 신호를 수신하여 일정시간 단위로 관측자료를 자체내의 기억장치에 저장하는 GPS 수신기;

   상기 GPS 안테나와 GPS 수신기를 연결하는 안테나 케이블; 및

   상기 GPS 수신기에 전원을 공급하기 위한 전원공급장치로 이루어진 것을 특징으로 하는 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 GPS 안테나는 이중 주파수 안테나로 이루어지며, 상기 GPS 수신기는 고정밀 측지용 이중 주파수 반송파 관측을 수행하는 것을 특징으로 하는 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 국제 GPS 관측망으로부터 제공되는 궤도력은 당일의 예측궤도력과 전세계 GPS 기준점의 관측자료로부터 추출하여 14일 경과된 후에 제공되는 정밀궤도력임을 특징으로 하는 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 GPS 관측수단을 통해 관측된 GPS 반송파 관측자료는 고정밀 자료처리기법을 적용하기 위해 국제 GPS 관측망에서 제안된 GPS 관측자료 저장 형태인 RINEX(Receiver INdependent EXchange format)로 변환 저장되는 것을 특징으로 하는 GPS를 이용한 가스 시설물 변형 감시 시스템.