KR20060122129A

KR20060122129A - 수중장비의 위치 특정시스템 및 이 시스템에서 수행되는위치 특정방법

Info

Publication number: KR20060122129A
Application number: KR1020050044135A
Authority: KR
Inventors: 최항순; 조경남; 서동철; 이용희
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2006-11-30
Also published as: KR100652912B1

Abstract

본 발명은 수중장비의 위치를 특정하기 위한 LBL(Long Base Line) 시스템 및 이 시스템에서 수행되는 위치특정방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 LBL 시스템은, 3개 이상의 부이와 유선으로 동기되어 수면하에 배치된 3개 이상의 PRU(위치기준점, Position Reference Unit)를 이용하여 수중장비의 위치를 특정하기 위해, 수중장비에 장착되고, 신호를 송신하는 신호 송신수단과, 3개 이상의 PRU에 각각 장착되고, 신호 송신수단으로부터 송신된 신호를 수신하는 신호 수신수단 및, 신호 송신수단으로부터 방사된 신호가 신호 수신수단에 도달된 시간을 측정하여 신호 송신수단과 신호 수신수단간의 거리를 계측하고, 계측된 거리정보를 기초로 삼각측량함으로써 수중장비의 위치를 특정하기 위한 호스트 컴퓨터를 구비한다.

Description

수중장비의 위치 특정시스템 및 이 시스템에서 수행되는 위치 특정방법{A SYSTEM FOR SPECIFYING A POSITION OF UNDERWATER EQUIPMENT AND A POSITION SPECIFYING METHOD PERFORMING IN THE SYSTEM}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신호 송신수단의 위치을 특정하는 것을 설명하기 위한 개략도이다.

도 2는 도 1에 도시된 PRU 및 부이를 더욱 상세하게 나타낸 도면이다.

도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 LBL 시스템의 구성요소를 더욱 상세하게 설명하기 위한 블록도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LBL 시스템에 의한 위치특정을 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 고정 대상의 위치 오차가 전파되는 과정을 나타낸 것이다.

도 6은 등속 또는 저속으로 운동하는 대상의 위치 오차가 전파되는 과정을 나타낸 것이다.

도 7은 DOP(Dilution of Precision)에 의한 위치 오차 발생 예를 설명하는 도면으로서, 도 7a는 우수한 DOP를, 도 7b는 나쁜 DOP를 나타낸다.

본 발명은 수중에서 음향 신호를 이용하여 위치를 특정하는 LBL 시스템에 관한 것으로, 특히 신호 수신수단이 장착된 3개 이상의 PRU와 신호 송신수단이 장착된 수중 장비를 이용하여, 수중장비의 위치를 정확히 특정할 수 있는 LBL 시스템 및 이 시스템에서 수행되는 위치특정방법에 관한 것이다.

LBL(Long-base Line) 시스템이란 수면하 일정 깊이(또는 바닥)에 설치된 PRU(Position Reference Unit)와 신호 송신수단 사이의 거리를 3개 이상 계측하고, 삼각 측량 기법을 이용하여 신호 송신수단의 위치를 특정하는 시스템을 말한다. 이를 위해서는 이미 알고 있는 위치에 PRU를 배치하여야 한다.

기존의 방식은 PRU로서 트랜스폰더(transponder)를 사용하였다. 즉, 각각의 트랜스폰더에 음향 신호를 순차적으로 보낸 후, 이것의 반향파를 받아 음향 송신수단과 PRU간의 거리를 계측하고, 이 거리 정보를 이용하여 신호 송신수단의 위치를 특정하는 방식의 LBL 시스템을 이용하여 왔다.

그러나, 이와 같은 종래의 방식은 하나의 트랜스폰더에 신호를 보내고, 이것의 반향파를 받은 후, 송신한 신호가 해역 내에서 소멸할 때까지의 대기 시간을 갖고나서 다음 트랜스폰더로 신호를 보내는 방식이었다. 따라서, 신호 송신수단과 PRU간의 거리를 순차적으로 수신해야 했기 때문에, 모든 PRU까지의 거리 정보를 받기 위해서는 트랜스폰더의 개수에 비례하는 시간이 소요되어야 했다.

그리고, 송신수단이 이동하는 물체에 장착되어 있을 경우에는 각 PRU와의 거리 정보가 동일한 시점에 측정된 것이 아니기 때문에, 송신수단에 대한 위치오차가 매우 커지게 되는 문제가 있었다.

또한 신호 송신 방식에 있어서 1회성 펄스 형태인 톤-버스트(tone-burst) 방식을 사용하기 때문에, 반사파 및 신호 굴절 또는 왜곡이 발생하여 거리 정보를 정확하게 검출할 수 없다는 단점이 있었다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 유선 동기 방식으로 트랜시버간 네트웍을 구성하여 저렴한 수중 위치 추적 시스템을 구축하고, 대역 확산 방식을 이용하여 수중 장비의 위치를 보다 정밀하게 특정하는 것을 과제로 한다.

본 발명에 의한 위치 특정시스템은, 3개 이상의 부이와 유선으로 동기되어 수면하에 배치된 3개 이상의 PRU를 이용하여 수중장비의 위치를 특정하기 위해, 수중장비에 장착되고, 신호를 송신하는 신호 송신수단과, 3개 이상의 PRU에 각각 장착되고, 신호 송신수단으로부터 송신된 신호를 수신하는 신호 수신수단 및, 신호 송신수단으로부터 방사된 신호가 신호 수신수단에 도달된 시간을 측정하여 신호 송신수단과 신호 수신수단간의 거리를 계측하고, 계측된 거리정보를 기초로 삼각측량함으로써 수중장비의 위치를 특정하기 위한 호스트 컴퓨터를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 위치 특정시스템에 있어서, 신호 송신수단은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 변환부 및, 아날로그 신호를 수중으로 방사하는 핑 어를 구비하는 것이 바람직하고, 신호 수신수단은 신호 송신수단으로부터 방사된 신호를 수신하는 트랜시버 및, 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 위치 특정시스템에 있어서, 호스트 컴퓨터는 대역확산 방식을 이용하는 신호를 발생하여 신호 송신수단에 전달하는 신호 발생부와, 신호 송신수단으로부터 방사된 신호가 신호 수신수단에 도달된 시간을 측정하여 신호 송신수단과 신호 수신수단간의 거리정보를 추출하는 거리 환산부 및, 거리정보를 기초로 간접되먹임 최소자승 추정법을 이용하여 삼각측량함으로써 신호 송신수단의 위치를 특정하는 위치 특정 연산부를 구비하는 것이 바람직하고, 위치 특정 연산부에서 계산된 위치정보로부터 상태 추정 필터링을 통해 오차를 제거하는 오차 제거부 및, 이미 알려진 상기 PRU의 위치정보를 갖고서, PRU의 오차를 분석하는 오차 분석부를 더 구비할 수도 있다. 이때, 오차 제거부는 상태 추정 필터링으로서 칼만 필터를 이용하여 오차를 제거한다.

본 발명에 의한 수중장비의 위치를 특정하기 위한 위치 특정시스템에서 수행되는 위치특정방법은, 수중장비에 장착된 신호 송신수단, 수면하에 배치되는 3개 이상의 PRU에 각각 장착된 신호 수신수단을 이용하여 수중장비의 위치를 특정하기 위해, (a) 신호 송신수단으로부터 방사된 대역확산 방식의 신호가 신호 수신수단에 도달된 시간을 측정하여 신호 송신수단과 신호 수신수단간의 거리를 계측하는 단계와, (b) 거리정보를 기초로 간접되먹임 최소자승 측정법을 이용하여 삼각측량함으로써 수중장비의 위치를 특정하는 단계 및, (c) 위치정보로부터 상태 추정 필터링 을 통해 오차를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, (a) 단계는, 고유 디지털 코드를 생성하는 단계와, 디지털 코드를 각각의 주파수를 갖는 주기 신호로 변환하는 단계, 주기 신호를 아날로그 신호로 변환하여 송신하는 단계, 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계, 수신된 신호와 송신된 신호의 상관 함수를 이용하여 수신된 정확한 시점을 계산하는 단계 및, 계산된 시간을 이용하여 거리로 환산하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, (b) 단계 후에, 이미 알려진 상기 PRU의 위치정보를 이용하여 PRU의 오차를 분석하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 수면 하(또는 바닥) 적절한 3지점 이상의 알려진 지점에 신호 송신수단과 동기화된 PRU를 배치한 후, 1회의 음향 신호를 방사하고, PRU에서 이 신호의 도달 시간을 계측하여 호스트 컴퓨터에서 신호 송신수단과 PRU 간의 거리 정보를 산출한다. 본 발명에서는 상술한 것처럼 거리 계측을 위하여 종래의 방식과 같은 톤 버스트 방식이 아닌 대역확산 방식을 사용하여 반사파 및 신호 굴절 또는 왜곡에 강인한 신호 방식을 사용하는 것이며, 방사된 신호를 상관 필터를 이용하여 검출할 경우, 종래의 톤 버스트 방식보다 수배 이상의 검출 성능을 나타낼 수 있다. 이와 같은 방식으로 계측된 송신수단와 PRU간의 거리 정보를 바탕으로 신호 송신수단의 위치를 간접 되먹임 최소자승 추정법(Indirect Feed Back Least Square Estimator)을 이용하여 삼각측량할 수 있다. 이렇게 측지된 송신수단의 위치 결과에는 음향 신호에 포함된 오차(불균일 매질에서의 음파의 비직진성 및 수온에 따른 음속의 변화 등)와 송신수단의 움직임에 의한 계측 거리 오차가 포함되어 있으므 로, 이러한 위치 오차를 제거하기 위하여 칼만 필터와 같은 최적 필터를 이용하여 오차 제거를 수행한다.

본 발명은 LBL 시스템과 같은 음향 위치 추적 시스템을 구성함에 있어, 부이를 이용한 유선 동기 방식을 사용하고 고가인 트랜스폰더가 아닌 수중 음향 수신수단를 이용하여 저렴한 수중 위치 추적 시스템의 구축을 가능케 한다. 기존의 수중 음향 신호는 펄스 방식의 톤 버스트 방식을 주로 사용하였으나, 본 발명에서는 대역확산 방식으로 신호 수신율을 월등히 향상시켰으며, 그 실시 예로 FSK(주파수 편이 변조: Frequency Shift Keying) 변조 방식을 이용하여 대역 확산 방식을 구현하였으며, 칼만필터와 같은 최적 필터를 도입하여 이동하는 수신수단에서도 기존의 유사한 시스템에 비해 월등히 높은 위치 정밀도의 시스템을 구축할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 유선 시동기식 LBL 시스템은 수면하 또는 바닥에 배치되는 복수의 PRU(100a,100b,100c,100d;Position Reference Unit), 각 복수의 PRU와 유선으로 동기되는 복수의 부이(102a,102b,102c,102d;buoy), 위치를 특정하고자 하는 수중장비(104)에 장착되어 음향 신호를 방사하는 수중 음향 신호 송신수단(106) 및, PRU(100a,100b,100c,100d)와 신호 송신수단(106)로부터 취득된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 신호 송신수단(106)의 위치를 특정하는 호스트 컴퓨터(108)로 구성된다. 이 중, PRU(100a,100b,100c,100d) 및 이와 유선으로 동기되는 부이(102a,102b,102c,102d)는 삼각측량을 위해 3개 이상 존재하여야 한다.

도 2는 도 1에 도시된 PRU 및 부이를 더욱 상세하게 나타낸 도면이다. PRU(100)는 수면하 특정 위치, 또는 바닥에 3개 이상의 위치 기준점으로서 배치되어 삼각 측량을 위한 기저면(Base-line)을 구축하게 된다. 이러한 PRU(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 부이(102)와 유선으로 연결되어 있으며, 부이(102)에 장착된 윈치(110)에 의해 감아 올려지거나 내려지게 된다. 수면하 특정 위치에 배치되는 PRU(100)는 바닥 고정을 위한 무게 추(112;weight)와 신호 수신수단(114)으로 이루어진다. 본 발명에 의한 LBL 시스템에서는 음향 신호 수신수단(114)이 위치 기준점인 PRU(100)에 장착된다.

도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 LBL 시스템의 구성요소를 더욱 상세하게 설명하기 위한 블록도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 LBL 시스템은 신호 송신수단(106), 신호 수신수단(114) 및, 호스트 컴퓨터(108)로 이루어진다. 신호 송신수단(106)은 D/A 변환부(120)와 핑어(122;pinger)로 이루어지고, 신호 수신수단(114)은 트랜시버(130;transceiver), 신호 증폭부(132) 및, A/D 변환부(134)로 이루어진다. 신호 증폭부(132)는 전치 증폭기(pre-amp)등으로 구현될 수 있다. 또한, 호스트 컴퓨터(108)는 신호 발생부(140), 거리 환산부(142), 위치 특정 연산부(144), 오차 제거부(146) 및, 오차 분석부(148)로 구성된다.

호스트 컴퓨터(108)의 신호 발생부(140)는 대역확산 방식을 구성하기 위한 변조 신호를 FSK(주파수 편이 변조: Frequency Shift Keying) 변조 방식으로 발생시킨다. 여기서 변조 방식으로 사용한 FSK 방식은 본 발명에서 사용하는 거리를 계측하기 위한 신호의 하나의 실시 예에 해당하고, 변조 방식으로는 ASK(진폭 편이 변조) 및 PSK(위상 편이 변조)와 같은 다른 방식을 사용할 수도 있음은 물론이다.

이로부터 발생된 음향 신호는 수면하 수중장비에 장착된 신호 송신수단(106)으로 전송된다. 신호 송신수단(106)은 호스트 컴퓨터(108)의 신호 발생부(140)로부터 전송된 신호를 D/A 변환부(120)를 이용하여 아날로그 신호로 변환하고, 이렇게 생성된 아날로그 신호를 핑어(122;pinger)를 통해 수중으로 방사한다.

이어서, 신호 수신수단(114)은 신호 송신수단(106)으로부터 대역확산 방식으로 생성되어 방사된 신호를 트랜시버(130)를 통해 수신한다. 그리고 수신된 신호는 신호 증폭부(132)에서 증폭된 후, A/D 변환부(134)를 통해 대역확산 방식을 이용하여 협대역 스펙트럼(narrow-band spectrum)으로 처리되어 송신된 신호가 잡음의 크기보다 크도록 변환된다. 신호 증폭부(132)는 생략될 수 있으며, 트랜시버(130)에 포함될 수도 있다. 이렇게 디지털 신호로 변환된 신호는 호스트 컴퓨터(108)로 다시 전송된다. 이러한 신호 수신수단(114)은 도 1에 도시된 바와 같이 3개 이상 존 재하므로, 각각의 신호 수신수단에서는 동일한 처리가 진행된다.

호스트 컴퓨터의 거리 환산부(142)는, 3개 이상의 신호 수신수단(114)으로부터 전송받은 신호와 신호 발생부(140)로부터의 신호를 이용하여, 두 신호 사이의 시간 정보를 기초로, 신호 송신수단(106)과 위치 기준점인 PRU의 신호 수신수단(114)간의 거리 정보를 추출한다. 그리고, 위치 특정 연산부(144)는 신호 송신수단(106)과 3개 이상의 PRU(100)의 신호 수신수단(114) 간의 거리 정보를 이용하여 신호 송신수단(106)의 위치를 특정하게 된다. 오차 제거부(146)는 위치 특정 연산부(144)에서 계산된 위치 정보로부터 신호 잡음 등을 제거하여 정확한 신호 송신수단(106)의 위치를 산출한다.

수중에서 위치 오차에 영향을 주는 요인은 여러 가지가 있을 수 있으나, 가장 큰 요인은 PRU(100)의 기하학적 배치가 불량할 경우(이 때 DOP가 커지고 이에 관한 내용은 아래에 기술한다)에 발생하는 것이다. 따라서 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 LBL 시스템에서 가장 큰 오차 요인인 PRU(100)들의 기하학적 배치가 양호한지 판단할 수 있도록, PRU(100)들의 기하학적 오차를 분석하는 오차 분석부(148)가 호스트 컴퓨터(108)에 구비된다. 오차 분석부(148)는 LBL 시스템의 작동 시점에서의 이미 알려진 PRU의 위치 정보를 갖고 있다. 오차 분석도구는 PRU의 배치에 따라 발생할 수 있는 오차의 영향, 즉 사용자에게 현재 PRU의 배치에 따라 특정 방향으로 오차가 많이 발생할 수 있음을 알려주는 보조 도구이다.

이하에서는, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 주파수 편이 변조방식을 이용한 유선 시동기식 LBL 시스템의 위치 특정을 수행하는 방법을 도 4를 참조 하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LBL 시스템에 의한 위치특정을 수행하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저 LBL 시스템에 전원이 인가되면 호스트 컴퓨터(108)의 신호 발생부(140)는 대역확산 방식을 이용하여 0과 1로 이진화된 신호를 FSK 변조 방식을 이용하여 아날로그화한 후 신호 송신수단(106)으로 전송한다. 신호 송신수단(106)은 호스트 컴퓨터(108)로부터 전송 받은 신호를 핑어(122)를 통해 물속으로 방사한다. 신호 수신수단(114)은 신호 송신수단(106)에서 방사된 신호를 수신하고, 이를 증폭한 다음, 디지털 신호로 변환하여 호스트 컴퓨터(108)로 전송한다. 호스트 컴퓨터(108)는 이렇게 수신된 신호를 받아 송신된 신호와 상관관계를 계산하여 신호가 송신 후 수신되기까지 걸린 정확한 시간을 측정한다. 이어서, 계측된 시간 정보를 이용하여 PRU(100)와 신호 송신수단(106) 간의 거리 정보를 구한다. 이 거리 정보를 이용하여 신호 송신수단(106)의 위치를 하기한 간접 되먹임 상태 변수에 따른 최소 자승법을 이용하여 삼각 측량한다.

PRU의 신호 수신수단(114)과 신호 송신수단(106) 사이의 거리 측정치와, 신호 송신수단(106)의 위치 사이의 관계식은 다음과 같다.

[x_i y_i z_i]^T : Cartesian 좌표계에서의 i번째 PRU의 위치

u = [x_u y_u z_u]^T : Cartesian 좌표계에서의 신호 송신수단의 위치

PRU(100)의 신호 수신수단(114)과 신호 송신수단(106)를 통해 계측된 거리 정보는 잡음이 포함된 측정치이다. 3차원 공간에서 거리 측정치가 정확할 경우, 3개의 위치 기준점과 신호 수신수단 간의 위치는 수학식 1의 양변을 제곱한 후 변변 정리하면 닫힌 형태의 해를 얻을 수 있다. 하지만 일반적으로 거리 측정치에는 오차가 포함되어 있기 때문에 닫힌 형태의 해는 얻을 수 없다. 그리고 측정치에 포함된 오차를 줄여 보다 정확한 위치를 얻기 위하여 4개 이상의 측정치를 사용할 수 있는데, 이 경우 하기와 같이 시선 벡터(line of sight vector)를 이용한 최소자승 측정법을 사용하여 위치를 특정한다. 본 발명에서는 이를 "ρ_i = r + v"로 모델링한다. 여기서 ρ_i는 i번째 PRU의 신호 수신수단과 신호 송신수단 사이에서 얻은 거리 정보를 의미하고, r은 실제 오차가 포함되지 않은 신호 수신수단과 송신수단 간의 거리를, 그리고 v는 랜덤한 잡음을 의미한다. 이를 이용하여 본 발명에서는 일단 측정치에 포함되어 있는 오차를 무시하고 최소 자승 추정법을 이용하여 위치를 산출한 다음 계산된 위치 정보를 간접 되먹임하여 오차 성분을 제거해 나가는 방법을 사용한다.

이전 송신수단의 위치

에서 ρ_i를 테일러(Taylor) 급수로 선형화하면 다음과 같다.

여기서

는

을 이용하여 계산된 수신수단과 송신수단간의 거리이며, 수학식 2에서 2차항 이상을 무시하고 n개의 수신수단에 대하여 전개하면 다음과 같은 선형화된 측정식을 얻을 수 있다.

여기서 h_i는 송신수단와 i번째 PRU의 수신수단간의 시선벡터이며 다음과 같다.

수학식 3을 이용하여 신호 송신수단의 위치는 다음과 같이 구할 수 있으며, 정확도를 향상시키기 위하여 이 과정을 반복적으로 수행한다.

상술한 간접되먹임 최소자승 추정법에 의하여 송신수단의 위치를 특정할 수 있다. 하지만 최소자승 추정법의 한계 때문에, 계산된 송신수단의 위치에는 아직도 많은 오차가 남아 있으므로, 본 발명에서는 칼만 필터와 같은 최적 필터를 이용하여 송신수단의 위치를 보다 정확하게 특정하도록 한다.

고정된 대상의 위치를 특정할 경우, 송신수단의 위치가 일정하게 유지되지만 최소자승 추정법으로 얻어진 위치 정보에는 아직 오차성분이 포함되어 있으므로, 이를 랜덤워크(random walk process)로 가정한다. 따라서 위치 오차는 도 5와 같이 도식화할 수 있다.

상기 시스템을 연속 시간 미분방정식으로 나타내면 다음의 수학식 6과 같다.

위 미분 방정식을 칼만필터에 적용하기 위하여 다시 이산 시간 미분 방정식으로 나타내면 수학식 7과 같다.

여기서

이며 벡터의 원소는 각각 t_k 시점에서의 x 방향 위치 오차, y 방향 위치 오차, 그리고 z 방향 위치 오차를 의미한다. 그리고 이와 같은 LBL 시스템을 위한 관측 모델은 아래와 같이 구성할 수 있는데, 관측식은 상기 시스템으로 추정한 위치를 삼각측량을 통해 얻은 위치 정보를 빼주고, 여기에 필터 이득을 곱하여 보상함으로써 위치 오차를 제거하는 과정을 거친다. 앞서 기술한 바와 같이 i번째 PRU의 신호 수신수단과 신호 송신수단 간의 거리 관계식은 수학식 1과 같다.

여기서 ρ_i는 신호 송신수단 위치에서 계측한 i번째 PRU의 신호 수신수단과의 거리를 의미하고,

는 신호 송신수단 위치와 i번째 PRU의 신호 수신수단과의 거리를 수학식 6을 이용하여 추정한 결과이다. 그리고 H_i는 관측식을 구성하는 i 번째 PRU 위치에 관하여 수학식 3에서 얻은 열벡터를 의미하고, 마지막 V는 관측식에 포함된 백색 가우시안(Gaussian) 잡음을 의미한다.

한편 신호 송신수단를 장착한 수중장비가 등속으로 이동할 경우에는 위치 오차가 증가하게 되는데, 그 이유는 다음과 같다. 신호 송신수단에서 방사한 음향 신호가 PRU의 신호 수신수단에 도착하여 위치를 특정하는 동안 수중장비가 이동하기 때문에, 호스트 컴퓨터에서 특정한 위치 정보는 음향 신호를 방사한 순간의 위치 정보이며 현재 수중장비의 위치가 아니다. 따라서 수중장비의 운동을 고려한 위치 특정 시스템을 도입할 필요가 있다. 따라서 등속(또는 저속) 이동하는 수중장비의 위치를 특정하기 위한 칼만 필터를 구성하기 위하여 다음과 같은 시스템을 구성한다.

즉, 상술한 고정된 신호 송신수단에 관한 시스템에 수중장비의 속도 정보를 포함하여 수중장비의 속도 정보를 추정하는 방식을 사용한다. 이 때 속도의 추정 오차는 랜덤워크로 모델링하며, 도 6은 이를 도식화 한 위치 오차 전파과정을 나타낸다.

이러한 시스템을 연속 시간 미분방정식으로 나타내면 수학식 9와 같다.

위 미분 방정식을 칼만필터에 적용하기 위하여 다시 이산 시간 미분 방정식으로 나타내면 수학식 10과 같다.

여기서 상태 변수

이고, 벡터의 원소는 각각 t_k 시점에서의 x 방향 위치 오차, x 방향 속도 오차, y 방향 위치 오차, y 방향 속도 오차, z 방향 위치 오차, z 방향 속도 오차를 의미한다.

의 성분 인 Δt는 이산화 과정에서 사용된 이산화 시간 간격을 의미하고,

는

으로 표현되는 백색 가우시안으로 표현되는 속도 오차의 잡음 벡터를 의미한다.

그리고 이와 같은 LBL 시스템을 위한 관측 모델은 아래와 같이 구성할 수 있는데, 관측식은 상기 시스템으로 추정한 위치를 삼각측량을 통해 얻은 위치 정보를 빼주고, 여기에 필터 이득을 곱하여 보상함으로써 위치 오차를 제거하는 과정을 거친다. 앞서 기술한 바와 같이 i번째 PRU의 신호 수신수단과 신호 송신수단 간의 거리 관계식은 수학식 1과 같다.

여기서 ρ_i는 신호 송신수단 위치에서 계측한 i번째 PRU의 거리를 의미하고,

는 신호 송신수단 위치와 i번째 PRU의 거리를 추정한 결과이다. 그리고 H_i는 관측식을 구성하는 i번째 신호 송신수단 위치에 관하여 수학식 3에서 얻은 열벡터를 의미하고, 마지막 V는 관측식에 포함된 백색 가우시안(Gaussian) 잡음을 의미한다.

본 발명에서는 이상과 같이 모델링된 LBL 시스템에서, 하기한 확장 칼만 필터 알고리즘을 이용하여 실시간으로 위치 오차를 걸러내는 과정을 거침으로써 신호 송신수단의 정확한 위치를 특정한다. 위치 특정 시스템의 삼각 측량 위치 관계식을 살펴보면 추정된 신호 송신수단의 위치를 기준으로 거리로 제곱 형태의 비선형 방정식을 사용하므로, 이를 칼만 필터로 오차를 걸러내는 과정에서 필연적으로 제곱 형태의 비선형 방정식을 선형화하여 사용한다.

본 발명에서 사용하는 확장 칼만 필터 알고리즘은 다음과 같다.

시스템 및 측정치 모델을 다음과 같이 가정한다.

확장 칼만 필터에서는 t_k≤t<t_k+1에서 기준 궤적을 k번째 측정치를 이용하여 생성된

를 초기치로 하여 다음과 같이 생성한다.

k번째 측정치를 이용하여 추정된 상태 변수

에 대한 오차 추정치 δ

는 칼만 필터가 최적 필터이기에 0(zero)이 된다.

따라서, t_k≤t<t_k+1에서 상태변수 오차에 대한 전파 식은 다음과 같다.

위 식으로부터 확장 칼만 필터 알고리즘에서 간접 되먹임 방법을 사용할 경우 오차에 대한 전파가 필요하지 않음을 알 수 있다.

초기 조건 및 가정은,

Update: t = t⁺ _k

여기서,

이다.

본 발명에서는 이상과 같은 확장 칼만 필터를 상술한 위치(또는 위치 및 속도) 오차 시스템에 적용하여 간접 되먹임 최소자승 삼각 측량법을 이용하여 얻은 위치에 포함된 오차 성분을 걸러낸다.

하지만 실제 LBL 시스템을 구성함에 있어, 계측 지점이 불량할 경우 PRU와 신호 송신수단의 기하학적 배치에 따른 오차가 본 발명이 제공하는 위치 특정 시스템의 오차를 지배하는 오차 성분이므로, 이러한 기하학적 배치에 따른 오차를 분석하는 도구를 제공하면, 이상적인 LBL 시스템을 구축할 수 있게 된다. 이를 이하에서 설명한다.

도 7은 DOP에 의한 위치 오차 발생 예를 설명하는 도면으로서, 도 7a는 우수한 DOP를, 도 7b는 나쁜 DOP를 나타낸다.

LBL의 오차 요인은 여러 가지가 있을 수 있는데, 위치 기준점과 신호 수신수단간의 배치에 따른 오차 성분은 다음과 같이 추정할 수 있다. LBL의 오차 분석을 위하여 다음과 같은 에러의 공분산을 유도한다. 먼저 측정치와 측정 오차는 다음과 같다.

따라서 잡음이 포함된 위치의 추정치는 다음의 수학식 22와 같다.

그리고 잡음의 평균이 0인 경우 위치 추정치의 기대값은 다음의 수학식 23과 같다.

따라서 상기 관계를 이용하여 추정 오차의 공분산을 다음과 같이 유도할 수 있다.

여기서 V = (H^TH)^-1 라 하면 기하학적 배치에 따른 위치 오차, 수평면 오차, 수직 오차 등은 다음과 같이 얻어진다.

일반적으로 상기 식을 다음과 같은 용어로 지칭한다.

즉, VDOP(Vertical Dilution of Precision)는 PRU의 기하학적 배치에 따른 수직방향의 위치 오차 성분의 크기를, HDOP(Horizontal Dilution of Precision)는 PRU의 기하학적 배치에 따른 수평면 상의 위치 오차 성분을, 그리고 PDOP(Positional Dilution of Precision)는 3차원 공간에서 위치 오차 성분의 크기를 의미한다. 즉 PRU와 신호 송신수단까지의 거리를 계측할 때, 가능하면 상술한 DOP(Dilution of Precision)가 작아지도록 PRU를 배치하는 것이 신호 송신수단의 위치를 특정함에 있어 위치 정밀도를 높일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 3개 이상의 유선으로 동기화된 PRU와 음향 송신수단이 장착된 수중 장비를 이용하여, 수중에서 신호 송신수단의 위치를 정확히 특정할 수 있는 시스템과 방법에 의해, 일반적인 방식의 LBL 시스템보다 위치 정밀도가 우수하고 신뢰성 높은 수중 위치 특정 시스템을 구축할 수 있다. 또한, 소규모의 수중 작업을 위해 트랜스 폰더와 같은 고가의 장비나 트랜스 폰더를 고정하기 위한 파일 작업 없이, 본 발명에서 제공하는 PRU 설치 부이를 이용하여 원하는 곳에 간단하게 설치 사용할 수 있다.

본 발명의 방법을 사용할 경우 음향 신호 송신수단이 장착된 수중장비가 이동을 하더라도 위치정보를 제공할 수 있고, 각각의 PRU를 향하여 신호를 동시에 방사하기 때문에 위치 정보 갱신 주기가 기존의 방식에 비해 획기적으로 짧아지게 된다. 또한 PRU의 기하학적 배치에 따른 위치 특정 오차의 분석 도구도 함께 제공하기 때문에, 보다 정확하게 수중장비의 위치를 특정할 수 있는 효과가 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims

3개 이상의 부이와 유선으로 동기되어 수면하에 배치된 3개 이상의 PRU를 이용하여 수중장비의 위치를 특정하기 위한 시스템에 있어서,

상기 수중장비에 장착되고, 신호를 송신하는 신호 송신수단;

상기 3개 이상의 PRU에 각각 장착되고, 상기 신호 송신수단으로부터 송신된 신호를 수신하는 신호 수신수단 및;

상기 신호 송신수단으로부터 방사된 신호가 상기 신호 수신수단에 도달된 시간을 측정하여 상기 신호 송신수단과 상기 신호 수신수단간의 거리를 계측하고, 계측된 거리정보를 기초로 삼각측량함으로써 상기 수중장비의 위치를 특정하기 위한 호스트 컴퓨터를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.
제1항에 있어서, 상기 신호 송신수단이,

디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 변환부 및;

상기 아날로그 신호를 수중으로 방사하는 핑어를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.
제1항에 있어서, 상기 신호 수신수단이,

상기 신호 송신수단으로부터 방사된 신호를 수신하는 트랜시버 및;

상기 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부를 구비하 는 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.
제3항에 있어서, 상기 신호 수신수단이, 수신된 신호를 증폭하는 신호 증폭부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.
제1항에 있어서, 상기 호스트 컴퓨터가,

대역확산 방식을 이용하는 신호를 발생하여 상기 신호 송신수단에 전달하는 신호 발생부;

상기 신호 송신수단으로부터 방사된 신호가 상기 신호 수신수단에 도달된 시간을 측정하여 상기 신호 송신수단과 상기 신호 수신수단간의 거리정보를 추출하는 거리 환산부 및;

상기 거리정보를 기초로 간접되먹임 최소자승 추정법을 이용하여 삼각측량함으로써 상기 신호 송신수단의 위치를 특정하는 위치 특정 연산부를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.
제5항에 있어서, 상기 호스트 컴퓨터가,

상기 위치 특정 연산부에서 계산된 위치정보로부터 상태 추정 필터링을 통해 오차를 제거하는 오차 제거부 및;

이미 알려진 상기 PRU의 위치정보를 갖고서, 상기 PRU의 오차를 분석하는 오차 분석부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.
제6항에 있어서, 상기 오차 제거부는 상태 추정 필터링으로서 칼만 필터를 이용하여 오차를 제거하는 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.
제5항에 있어서, 상기 신호 발생부는 디지털 아날로그 변환(D/A 변환) 방식에 의해 대역확산방식을 이용하는 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.
제1항에 있어서, 상기 신호 송신수단 및 신호 수신수단은 음향 신호를 이용하는 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.
제1항에 있어서, 상기 부이는 상기 PRU를 감아 올리거나 내리기 위한 윈치를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.
제1항에 있어서, 상기 PRU는 바닥 고정을 위한 무게 추를 구비하는 것을 특징으로 하는 위치 특정시스템.
수중장비에 장착된 신호 송신수단, 수면하에 배치되는 3개 이상의 PRU에 각각 장착된 신호 수신수단을 이용하여 수중장비의 위치를 특정하는 방법에 있어서,

(a) 상기 신호 송신수단으로부터 방사된 대역확산 방식의 신호가 상기 신호 수신수단에 도달된 시간을 측정하여 상기 신호 송신수단과 상기 신호 수신수단간의 거리를 계측하는 단계;

(b) 상기 거리정보를 기초로 간접되먹임 최소자승 측정법을 이용하여 삼각측량함으로써 상기 수중장비의 위치를 특정하는 단계 및;

(c) 상기 위치정보로부터 상태 추정 필터링을 통해 오차를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 특정방법.
제12항에 있어서, 상기 (a) 단계는,

고유 디지털 코드를 생성하는 단계;

상기 신호를 아날로그 신호로 변환하여 송신하는 단계;

수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계;

상기 수신된 신호와 상기 송신된 신호의 상관 함수를 이용하여 수신된 정확한 시점을 계산하는 단계 및;

계산된 시간을 이용하여 거리로 환산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 특정방법.
제12항에 있어서, 상기 (b) 단계 후에,

이미 알려진 상기 PRU의 위치정보를 이용하여 상기 PRU의 오차를 분석하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 특정방법.
제12항에 있어서, 상기 신호는 음향 신호인 것을 특징으로 하는 위치 특정방법.
제12항에 있어서, 상기 상태 추정 필터링은 최적 필터를 이용하는 것을 특징으로 하는 위치 특정방법.