KR20070034179A - 관측 목표물의 위치 검출 방법 - Google Patents

관측 목표물의 위치 검출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 GPS 안테나를 이용하여 이동 또는 정지 중에 관측 목표물에 대한 위치를 용이하고 정밀하게 검출할 수 있도록 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 관측 목표물의 위치 검출 방법은 적어도 두 개 이상의 GPS 안테나를 사용하는 Carrier Differential GPS 방식을 이용하여 관측 목표물의 방향을 검출하는 방법에 있어서, 관측 목표물에 대한 좌표 기준점을 제공하는 제 1 GPS 안테나(110)와, 상기 제 1 GPS 안테나(110)와 독립적인 위치 이동이 가능하도록 이격되어 관측장비(210)에 설치된 제 2 GPS 안테나(220)를 연결하는 기선 벡터(Base Vector)를 검출하는 단계와; 상기 관측장비(210)의 관측 목표물 지향에 따라 상기 제 2 GPS 안테나(220)와 관측 목표물을 연결하는 관측 방향 벡터를 검출하는 단계와; 상기 단계에서 검출된 기선 벡터와 관측 방향 벡터를 통하여 제 1 GPS 안테나(110)에 대한 관측 목표물의 방향 벡터를 합하여 관측 목표물의 위치를 검출하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
GPS(Global Position System), 위치 검출, 좌표 검출, 초음파, 기선 벡터

Description

관측 목표물의 위치 검출 방법 { Method For Determining Position Of An Object}
도 1은 본 발명에 따라 관측 목표물의 위치를 검출하기 위한 시스템의 설치 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따라 Carrier DGPS 방식의 GPS 안테나 거리 계산에서 발생하는 Integer Ambiguity의 폭을 줄이기 위해 초기값으로 설정될 GPS 안테나 사이 거리를 구하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 관측 목표물의 위치를 검출하기 위한 시스템의 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 관측 목표물의 위치를 검출하기 위한 시스템의 설치 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제어보드의 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제어보드에 의해 관측 목표물의 좌표가 검출되는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 7a는 대칭성에 따른 거리 관계를 나타내기 위한 일례이고, 도 7b는 상기 도 7a의 관계를 이용한 대칭성에 의해 GPS 안테나 사이의 거리가 측정되는 것을 나타내는 일례이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 기준 안테나부 110 : 제 1 GPS 안테나
120 : 초음파 발신기 200 : 관측장비부
210 : 관측장비 220 : 제 2 GPS 안테나
230 : 제 1 초음파 센서 240 : 제 2 초음파 센서
250 : 제 3 초음파 센서 260 : 경사각 탐지기
270 : 거리 탐지기 300 : 제어부
310 : GPS 수신기 320 : 제어보드
본 발명은 관측 목표물의 위치 검출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 GPS를 이용하여 이동 또는 정지 중에 관측 목표물에 대한 위치를 용이하고 정밀하게 검출할 수 있도록 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법에 관한 것이다.
비행기, 배, 차량 등의 운항에 있어서, 현재 위치와 그 진행 방향에 대한 정확한 정보를 파악하고 있어야 이동 경로에서 이탈하지 않고 목표 지점까지 성공적으로 운항할 수 있게 된다. 전통적으로 육상 운송에 있어서는 기존에 존재하는 도 로 및 이정표, 주요 건물 등이 운항 차량의 위치와 방향에 대한 대략적인 정보를 제공함으로써, 이를 바탕으로 차량의 운항이 이루어질 수 있도록 하고 있다.
하지만, 대양을 운항하는 배의 경우에는 현재 위치를 알려줄 수 있는 적절한 지형지물이 존재하지 않기 때문에 항해중의 위치에 대한 정확한 정보를 파악하기가 어려웠는데, 이로 인하여 항해중의 위치와 진행 방향에 대한 정확한 정보를 알고자 하는 많은 노력이 지속적으로 이루어져 왔다. 중세 이후 정밀한 시간을 측정할 수 있는 기계식 시계가 발명된 후, 시간에 따른 해 또는 별의 고도로부터 경도 및 위도를 확인하고, 지구 자기장을 이용한 나침반(Compass) 또는 시간에 따른 해의 방향 및 북극성의 위치 등을 길잡이로 하여 항해하는 배의 위치 및 방향을 확인하였다.
이러한 전통적인 위치 확인 방법은 기술이 진보함에 따라 점차 개선되었는데, 개선된 위치 확인 방법으로는 관성계(Gyroscope)를 이용한 위치 확인 방법이 널리 이용되었다.
한편, 근래에 들어 정밀한 위치를 확인할 수 있도록 하는 혁신적인 방법이 제공되었는데, 이는 지구 상공 20,200㎞에 위치한 24개의 GPS(Global Position System) 인공 위성이 발사하는 시간 신호를 이용하여 삼각 측량의 방법으로 위치를 확인하는 방법이다. GPS 위성 신호를 이용하여 위치 정보를 획득하는 방법은, 관측자의 GPS 수신기를 이용하여 수신된 각 위성이 발사하는 시간 신호로부터 각 위성과 GPS 수신기 사이의 거리를 전파 전달의 지연 시간으로부터 알아내고, 이러한 시간 지연을 3개의 위성에 대해 계산하는 삼각 측량 방법으로 관측자의 경도, 위도 및 고도를 알아내는 방법이다. 이때 결정되는 관측자의 위치는 지구 좌표 기준면 WGS84를 기준으로 하는 위치 좌표이다.
하지만, 한 개의 GPS 수신기만으로는 관측자의 위치만 결정할 수 있을 뿐, 정지 상태의 관측자의 관측 방향 또는 진행 방향을 알아내는 것은 불가능하다. 정지 상태의 관측 방향 또는 움직이는 물체의 진행 방향을 알아내기 위한 방법으로는 전통적으로 나침반을 통한 지구 자기장 방향 확인 방법, 보다 개선된 방법으로 전자기적 홀 효과(Hall Effect)를 이용한 지구 자기장 방향 확인 방법, 또는 기계적 광학적 관성계 등을 이용한 방향 확인 방법 등이 사용되고 있다.
현재 일반적으로 통용되고 있는 네비게이션(Navigation) 시스템은 GPS 시스템으로 위치를 확인하고 시간의 진행에 따라 이동되는 위치를 확인하여 진행 방향을 확인하고 있으며, 고급의 경우 관성계 또는 나침반을 이용하여 방향을 확인하고 있다. 하지만, 지구 자기장을 이용하여 방향을 확인하는 방법은 지구 자기장의 세기가 매우 미약하고, 자기장이 주변 환경에 의해 쉽게 요동하며, 전 지구적으로 자기장의 방향이 일정하지 않은 등 여러 가지 문제점에 의해 정밀한 방향 확인에는 어려움이 있다. 또한, 관성계를 이용하여 방향을 확인하는 방법의 경우에도 운항의 시작 시점에서 절대 방위로 캘리브레이션(Calibration) 된 관성계를 지속적으로 가동하여야 하는 어려움이 있으며, 정밀한 관성계는 매우 고가로서 비용적 부담이 크고, 3축 자세 제어 또는 방향 확인을 위해서는 3축 관성계를 사용하여야 하므로 장치의 크기가 커지는 단점이 있다.
이러한 문제점에 따라 상기 방법을 대신하여 GPS를 이용하여 방향을 알아내 는 여러 가지 방법들이 제안되고 있다. 일반적으로 한 개의 GPS 수신기의 절대 위치를 정확하게 알아내는 것은 매우 어려운데, 이는 광속이 항상 일정한 것이 아니라 통과하는 매질의 특성에 따라 달라지며, 굴절 등에 의해 최단 거리 전송이 이루어지지 않는 등 GPS 위성 송신기와 GPS 수신기 사이의 시간 지연이 단순히 송신기와 수신기 사이의 거리에만 비례하지 않기 때문이다. 또한, 상기의 이유 외에도 GPS 송신기의 시간 오차 또는 미국 국방성에서 일부러 부가하는 SA(Selective Availability) 등의 여러 오차 요인에 따라, 일반적으로 한 개의 GPS 수신기 단독으로 위치를 확인할 경우 20m∼100m 정도의 위치 오차가 발생하게 된다.
이러한 오차 요인을 대폭적으로 경감하기 위해 DGPS(Differential GPS) 방식이 사용되고 있다. 이 DGPS 방식은 정확한 위치를 미리 알고 있는 기준 GPS 수신국에서 GPS 위성에서 발사되는 신호를 수신한 후 각 GPS 위성과의 거리 이외 요인에 의한 부가적인 시간 지연 정보를 계산하여 이동 GPS 수신기에 전달하고, 이동 GPS 수신기는 기준 GPS 수신국으로부터 전송되는 부가적인 시간 지연 정보를 바탕으로 각 GPS 위성과의 거리 이외의 부가적인 시간 지연 요소를 제거함으로써 이동 GPS 수신기의 정확한 위치를 알아내는 방법이다. 이런 DGPS 방식을 적용함으로써 이동 GPS 수신기의 위치 오차를 1.5m 정도로 축소시킬 수 있는데, 이 1.5m 위치 오차는 Pseudo-Random Noise(PRN)라고 불리는 변조(Modulate)된 신호(Code)를 이용하여 구할 수 있는 수치로서, 이러한 방식을 Code DGPS라 부른다.
상술한 방법보다 더 정밀한 위치를 알아낼 수 있는 방법으로 상기 DGPS 방식에서 신호를 실어보내는 Carrier(반송파) 자체를 비교하는 방법이 제시되어 있다. 전자기파의 위상에 있어서 통상 회로적으로 분별할 수 있는 최소 위상차는 파장의 1/100 정도이므로, GPS 위성에서 송출되는 L1 Carrier와 L2 Carrier의 파장이 각각 19㎝와 24㎝ 정도인 경우, 최대 1㎜∼2㎜, 통상 5㎜∼1㎝ 정도까지의 정밀도로 기준 GPS 수신국과 이동 GPS 수신국의 상대 위치를 판별할 수 있게 된다. 이러한 Carrier DGPS 방식을 통하여 알아내는 것은 실질적으로 기준 GPS 수신국에 대한 이동 GPS 수신기의 상대 위치로서 이동 GPS 수신기의 절대 위치는 아니지만, 기준 GPS 수신국이 정확한 절대 좌표에 있다면 상대적으로 이동 GPS 수신기도 절대좌표에 연동되는 것이다.
상기의 Carrier DGPS 방식을 적용하면 기준 GPS 수신국과 이동 GPS 수신기의 상대 좌표를 1㎝ 이내의 정확도록 확보할 수 있으며 이들 두 수신국을 연결하는 기선 벡터(Base Vector)는 절대 좌표 WGS84에 의거한 방향 벡터가 된다.
상기 Carrier DGPS는 두 개의 GPS 수신기를 이용하는 방법으로도 가능하지만, 두 개의 GPS 수신 안테나가 구비된 한 개의 GPS 수신기를 이용하는 방법으로도 구현할 수 있다.
미국 특허 6,844,847호는 두 개의 GPS 수신 안테나 A, B를 일정 거리만큼 이격시킨 후 움직이는 물체의 일정한 위치에 고정시켜 이동 물체의 이동 방향을 알아내는 방법에 관한 것이다. 상기 특허는 안테나 A에서 수신되는 신호를 기준으로 안테나 B의 상대적 위치를 구한 후 안테나 A와 B를 연결하는 기선 벡터를 구하는 방법에 대하여 기술하고 있다. 상기 두 개의 GPS 수신 안테나를 갖는 안테나 시스템에서, 각 안테나로 수신되는 GPS 신호의 Carrier 주파수 성분의 위상을 비교하는 Carrier DGPS를 적용함으로써 안테나 A를 기준으로 안테나 B의 상대 좌표를 1㎝ 이내의 매우 높은 정밀도로 구할 수 있다. 이때 구해지는 기선 벡터는 지구 기준면 WGS84 좌표축을 기준으로 한 벡터가 된다.
한편, Carrier DGPS를 이용하는 방법을 적용하더라도 안테나 A를 기준 원점으로 하는 안테나 B의 상대적 위치가 수 ㎜∼수 ㎝ 정도의 오차를 가지므로, 상기 안테나 A와 안테나 B를 연결하는 방향 벡터의 측정에도 오차가 발생하게 된다. 즉, 일정한 위치 오차가 있는 수신 안테나를 이용하여 방향을 확인할 경우, 수신 안테나 사이의 거리에 따라 방향 측정의 정밀도는 달라지게 된다. 상기 특허에서는 두 수신 안테나 사이의 거리를 수십 ㎝에서 수 m 정도로 제안하고 있는데, 상기 특허의 특허권자인 Thales(Paris, France)에서 시판중인 방향 판별기 "3011 GPS COMPASS"의 경우에는 56㎝보다 작은 안테나 이격 거리를 이용하여 RMS(Root Mean Square) 값으로 0.5°이하의 방향 정밀도를 구현하고 있다. 이러한 방향 정밀도는 안테나 사이의 거리에 의해 제한된 값이며, 안테나 사이 거리를 증가시킬 경우 이보다 개선된 방향 정밀도를 구할 수 있다.
상기 특허권자인 Thales사는 모델번호 "COMPASS 3011 Mobile+"의 휴대용 방향 탐지기를 시판중에 있는데, 이 휴대용 방향 탐지기에는 두 개의 안테나를 연결하는 강체 지지대(Rigid Body)가 구비되어 있으며, 이 안테나들을 연결하는 강체 지지대의 방향이 측정하는 방향이 된다.
상기 56㎝의 안테나 이격 거리에서 얻을 수 있는 RMS 0.5°정도의 방향 정밀도는 1∼2㎞의 거리에 있는 물체의 좌표를 확인할 경우 좌표 오차가 대략 RMS 9∼ 18m 정도가 되며, 가능한 최대 오차는 이의 3배 수준인 27m∼54m 정도가 된다. 이러한 방향 정밀도는 측지용 또는 군사용으로 활용하기에는 그 정밀도가 떨어진다고 할 수 있는데, 측지용 또는 군사용으로 사용하기에 적절한 정밀도를 갖기 위해서는 안테나 사이의 거리가 2m∼10m 이상으로 커져야 한다.
안테나 A를 기준으로 안테나 B의 위치 정밀도가 5㎜이며 안테나 사이의 거리가 5m인 경우 이론적인 최대 각 오차는 0.057°이지만, 안테나의 위치 정밀도가 5㎜이고 안테나 사이의 거리가 56㎝인 경우 이론적인 최대 각 오차는 0.512°이다. 따라서, 상기 특허에서 제안하고 있는 방법인 두 개의 GPS 수신 안테나를 이용하면 GPS 수신 안테나 사이의 방향 벡터를 측정할 수 있으며, 안테나 사이의 거리를 멀리하면 할수록 정밀한 방향 벡터 측정이 가능하여 진다. 그러나 상기 특허에서는 GPS 수신 안테나 사이의 방향과 운항체의 운항 방향 또는 관측 방향 사이의 고정된 관계에 의하여 운항체의 운항 방향 또는 관측 방향을 알아내는 방법을 이용하기 때문에 GPS 수신 안테나 사이가 강체로 고정되어 있어야 하며, 특히 관측 방향을 변경시키고자 하는 경우 강체로 연결된 두 개의 GPS 수신 안테나를 포함하는 시스템 전체를 회전시켜야 하는 약점이 있다. 이러한 특성에 따라, 일례로 방향 측정의 정밀도를 개선하기 위해 안테나 사이의 거리를 5m 정도로 늘린 안테나 시스템을 사용하여 관측을 하는 경우 관측 방향의 변경에 따라 회전하여야 하는 시스템의 크기가 매우 크므로, 은밀성을 요구하거나 매우 빠른 관측 방향의 전환이 요구될 때, 또는 개인이 이동중에 쉽고 정밀한 관측을 하고자 할 때에는 측정에 불리한 점으로 작용하게 된다. 이에 반해, 안테나 사이의 거리를 짧게 하면 조작성은 좋아지는 반면, 방향각 오차가 커지는 단점이 생기게 된다.
한편, 미국 특허 제5,349,531호와 한국 특허공개공보 제2004-16766호는 두 개 이상의 GPS 수신기를 이용하여 운항기의 진행 방향 또는 정지 상태의 자세 방향을 알아내는 방법에 대하여 기술하고 있으며, 미국 특허 제5933110호는 이동형 GPS 방향 탐지기를 이용한 선박 접안 장치에 관하여 기술하고 있다. 상기 특허들은 선박이나 차량 또는 비행기 등의 운항체에 두 개 이상의 GPS 수신기를 고정시키고 두 GPS 수신기 사이의 기선 벡터로부터 운항체의 운항 방향을 알아내는 방법을 적용하고 있는데, 이러한 상기 특허들 또한 전체 시스템을 관측하고자 하는 방향으로 회전시켜야 하는 문제점이 존재하게 된다.
미국 특허 제6456567호는 GPS에 의해 절대적 위치 및 기준 좌표계가 결정된 좌표축을 기준으로 박격포의 자세를 확인하는 방법에 대하여 기술하고 있다. 상기 특허에는 박격포에 비치된 2개 이상의 초음파 송신기와 기준 좌표계를 형성하는 3개 이상의 초음파 센서를 이용하여 최소한 6번의 음파 전달 시간(Time of Flight)을 측정함으로써 박격포에 부착되어 있는 초음파 송신기의 위치를 기준 좌표계 좌표를 기준으로 구하고 이를 이용하여 박격포의 자세를 기준 좌표계에 대해 알아내는 방법에 대하여 기술하고 있다.
일반적으로 초음파의 음파 전달 시간을 이용하여 대상물의 자세를 파악하는 방법에 대한 기본 개념은 이미 널리 알려진 사실이며, 이러한 기본 개념은 상기 특 허에 인용된 선행기술에서도 나타나 있다. 상기 특허는 대상물의 자세를 파악하는 기준 좌표계로 GPS 또는 관성계를 이용하여 구축된 절대 좌표계를 이용하는데, 이 GPS 또는 관성계를 이용하여 구축된 절대 좌표계에 배치된 초음파 센서를 사용하는 데에 그 특징이 있다고 할 수 있다. 하지만, 상기 특허에서는 단지 GPS 또는 관성계로 기준 좌표계를 형성한다는 정도의 개념적인 설명만 기재되어 있어, 기준 좌표계를 형성하는 구체적 방법에 대한 설명이 결여되어 있다. 또한, 상기 특허에서는 6경로의 음파 전달 시간을 측정하게 되므로, 음파가 전달되는 경로를 모두 포함하는 단면적이 커지게 된다. 이러한 점은 대상물의 자세를 파악하기 위해서는 방해물에 의해 방해되지 않는 넓은 면적의 공간이 필요함을 의미한다. 또한, 음파의 속도는 공기중의 온도와 습도 및 기압에 매우 민감하게 변함으로써, 가능하면 음파 발신기와 음파 센서 사이의 경로상에서의 음파 속도를 측정하여야 음파 전달 시간을 이용한 거리 계산에서의 오차를 최소로 줄일 수 있으나, 상기 특허에서는 음파 전달 속도의 측정에 관한 구체적 내용에 제시되어 있지 못하다.
본 발명에서는 절대 좌표를 가지는 기준 좌표계를 형성하는 구체적인 방법이 제시될 것이며, 최소한 6번의 음파 전달 시간을 측정하는 상기 특허와는 달리 3번의 음파 전달 시간 측정과 경사각 탐지기를 이용하여 대상 물체의 자세를 확인할 수 있도록 하는 방법이 제시될 뿐 아니라, 초음파의 전달 경로 상에서의 초음파 전달 속도를 GPS 신호를 이용하여 실시간으로 쉽고 정밀하게 측정하는 방법이 제시될 것이다.
본 발명에서 제시되는 기준 좌표계를 측정하는 복수개의 GPS 수신 안테나 중 한 개의 안테나가 관측장비와 일체로 제작되어 관측장비의 관측 방향 벡터의 한 끝점으로 제공되는 방법과, 기준 좌표계 측정을 위한 복수개의 GPS 수신 안테나를 강체로 연결하지 않고 유연하게 연결하는 방법과, 온도 및 습도 등의 주위 환경에 따라 수시로 변하는 초음파의 전달 속도를 실시간으로 측정하는 방법은 종래에 보고된 바 없는 신규하고 진보된 방식이라 할 것이다.
미국 특허 제6,895,356호는 GPS와 망원경, 거리 탐지기, 나침반과 경사각 탐지기로 구성된 Mapping 시스템에 대하여 기술하고 있다. 이 특허에서 GPS 시스템은 단지 관찰자의 위치만을 확인하며, 나침반과 경사각 탐지기를 통하여 기준 좌표계를 구성하게 된다. 또한, 상기 특허는 방향 측정의 가장 중요한 요소(Factor)인 지구 좌표축에 대한 각도를 측정 오차가 심한 나침반에 의지하여 측정하도록 하고 있다.
본 발명에서는 상기 특허와는 달리 GPS를 통하여 기준 좌표계를 구현하고, 관측 방향 측정을 나침반에 의거하지 않고, 초음파 전달 속도와 경사각 탐지기만을 이용함으로써, 관측 방향 측정 오차를 크게 줄여 측정 결과의 정밀도를 높일 수 있도록 하는 방법에 대하여 제시한다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명은 매우 높은 방향 측정 정밀도를 만족시키면서, 관측 방향의 변경이 용이 한 관측 목표물의 위치 검출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 특히, 선행 기술들과는 달리 GPS 수신 안테나 사이를 연결하는 기선 벡터와 관측 방향 벡터 사이의 고정된 각도 관계를 제거하여, GPS 수신 안테나 사이의 기선 벡터의 방향과 독립적으로 관측 방향을 설정하고, 안테나 사이의 기선 벡터의 방향과 관측 방향 벡터 사이의 관계를 측정함으로써 관측시에 두 개의 GPS 수신 안테나를 동시에 회전시키지 않고도 관측 방향을 바꿀 수 있으며, 이로부터 관측 목표물의 위치를 검출할 수 있도록 하는 방법을 제시한다.
또한, 본 발명은 신속하고 용이하며 은밀한 관측이 가능할 뿐 아니라, 측정 방위각의 오차를 줄일 수 있도록 하는 방법을 제시한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 관측 목표물의 위치 검출 방법은 적어도 두 개 이상의 GPS 안테나를 사용하는 Carrier Differential GPS 방식을 이용하여 관측 목표물의 위치를 검출하는 방법에 있어서, 관측 목표물에 대한 좌표 기준점을 제공하는 제 1 GPS 안테나와, 상기 제 1 GPS 안테나와 독립적인 위치 이동이 가능하도록 이격되어 관측장비에 설치된 제 2 GPS 안테나를 연결하는 기선 벡터를 검출하는 단계와; 상기 관측장비의 관측 목표물 지향에 따라 상기 제 2 GPS 안테나와 관측 목표물을 연결하는 관측 방향 벡터를 검출하는 단계와; 상기 단계에서 검출된 기선 벡터와 관측 방향 벡터를 통하여 제 1 GPS 안테나에 대한 관측 목표물의 방향 벡터를 합하여 관측 목표물의 위치를 검출하는 단계;를 포함하여 이루 어진다.
상기 관측 방향 벡터를 검출하는 단계는 제 2 GPS 안테나로부터 관측 목표물에 대한 지향 방향에 상기 제 2 GPS 안테나와 소정의 거리가 이격되도록 임의의 지점을 설정하는 단계와, 상기 제 2 GPS 안테나와 임의의 지점 사이의 방향 벡터를 계산한 후 방향 벡터의 단위 벡터를 검출하는 단계와, 상기 제 2 GPS 안테나와 관측 목표물 사이의 거리를 검출하는 단계와, 상기 단계에서 검출된 단위 벡터와 제 2 GPS 안테나와 관측 목표물 사이의 거리를 곱하여 제 2 GPS 안테나와 관측 목표물을 연결하는 방향 벡터를 검출하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 단위 벡터를 검출하는 단계는 제 1 GPS 안테나와 임의의 지점 사이의 거리와, 상기 제 2 GPS 안테나와 임의의 지점 사이의 거리와, 상기 제 2 GPS 안테나와 임의의 지점 사이를 연결하는 지향 방향과 지구 중력의 연직 방향이 이루는 경사각을 각각 검출하고, 상기 검출된 거리 정보와 경사각 정보로부터 임의의 지점의 좌표를 구하고, 상기 임의의 지점의 좌표와 제 2 GPS 안테나의 좌표로부터 제 2 GPS 안테나와 임의의 지점을 연결하는 단위 벡터를 검출하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 GPS 안테나와 임의의 지점 사이의 거리는 상기 제 1 GPS 안테나와 임의의 지점에 각각 초음파 발신기 및 제 2 초음파 센서를 설치하고, 상기 초음파 발신기와 제 2 초음파 센서 사이에서 측정되는 초음파 전파 시간과 초음파 전파 속도의 계산을 통하여 검출된다.
상기 초음파 전파 속도는 Carrier Differential GPS 방식을 통하여 결정된 제 1 GPS 안테나와 제 2 GPS 안테나 사이의 거리와, 상기 제 1 GPS 안테나와 제 2 GPS 안테나에 각각 설치된 초음파 발신기와 제 1 초음파 센서 사이의 초음파 전파 시간의 계산을 통하여 검출된다.
한편, 상기 제 2 GPS 안테나의 임의의 지점에 대한 방향 벡터를 검출하는 과정에서 발생하는 2점 모호성을 제거하기 위하여, 관측 방향을 지향하는 상기 제 1 초음파 센서와 제 2 초음파 센서의 연장선상에서 벗어난 위치에 제 3 초음파 센서를 설치하여, 제 2 초음파 센서와 제 3 초음파 센서 사이의 거리를 이용하여 2점 모호성을 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1,2 GPS 안테나 사이의 기선 벡터를 검출하는 단계에서 Carrier Differential GPS 방식으로 제 1 GPS 안테나와 제 2 GPS 안테나 사이의 거리를 검출하는데 발생하는 Integer Ambiguity를 제거하기 위하여, 상기 제 1,2 GPS 안테나에 초음파 발신기 및 제 1 초음파 센서를 각각 설치하여 초음파 전파 속도를 측정하고, 임의의 거리로 이격된 제 1,2 GPS 안테나 사이의 거리를 초음파 전파 시간과 초음파 전파 속도를 통하여 검출한 후, 상기 검출된 제 1,2 GPS 안테나 사이의 거리 정보를 상기 Carrier Differential GPS 방식을 이용한 제 1,2 GPS 안테나 사이의 거리 검출시 초기값으로 이용하는 것이 바람직하다.
상기 관측 목표물의 위치를 검출하는 단계에서 제 1 GPS 안테나와 관측 목표물의 방향 벡터가 검출되면, 상기 제 1 GPS 안테나의 절대 좌표에 상기 검출된 제 1 GPS 안테나와 관측 목표물의 방향 벡터를 더하여 관측 목표물의 절대 좌표를 검출하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 기본적인 동작 원리에 대하여 간략히 설명한다.
여러 개의 GPS 수신 안테나(이하, "GPS 안테나" 또는 "안테나"로 약칭한다)가 있을 때 이들 사이의 상대적 좌표는 매우 정밀하게 구할 수 있다. 즉, 여러 개의 안테나 중 임의로 선정된 한 개의 GPS 안테나를 원점으로 하고 다른 GPS 안테나의 위치를 Carrier DGPS 방식으로 구하면 최대 1㎜까지, 일반적으로는 5㎜∼1㎝ 까지의 정확도로 다른 안테나들의 상대 좌표를 구할 수 있다.
두 개의 GPS 안테나 중 임의의 한 개를 기준점으로 하고 상기 과정을 통하여 다른 하나의 상대 좌표를 구한 후, 상기 두 개의 GPS 안테나를 연결하는 기선 벡터를 구하면, 구해진 기선 벡터는 GPS에서 사용하는 좌표축인 WGS84 좌표축을 기준으로 한 벡터가 된다. 따라서, 기선 벡터가 구해진 GPS 안테나들과 관측장비의 상대 위치를 측정하게 되면 관측장비의 관측 방향을 WGS84 좌표축에 맞추어 구할 수 있게 된다.
관측장비의 자세(Attitude)는 초음파를 이용하여 매우 정밀하게 구할 수 있다. 이는 초음파의 전파 속도가 대략 초당 300m 정도로서 전파 또는 광파에 비해 매우 느리므로, 초음파를 이용한 신호처리에서 1microsec의 시간분해능으로 0.3mm의 거리를 판별할 수 있기 때문이며, 시간 분해능을 올릴 경우 이보다 더 정밀한 거리 측정도 가능하다.
지향 방위각 측정에 대한 동일한 정도의 오차를 가정할 때, 위치 측정의 정 밀도가 개선될수록, 자세 측정에 필요한 측정 센서 사이의 거리가 짧아져도 된다. 그러므로 초음파를 사용하여 정밀한 위치 측정이 가능할 경우 자세 측정의 대상이 되는 관측장비의 크기가 작아져도 정밀한 관측장비의 자세가 파악된다. 또한, 본 발명에서는 GPS 안테나 사이가 강체로 연결되어 있지 않고 관측장비와 분리되어 있으므로 GPS 안테나의 전체 크기가 관측에 불편함을 끼지는 요인으로 작용하지 않게 된다. 따라서, 관측장비 자체의 크기가 관측에 불편함을 끼치지 않으면서도 GPS 안테나 사이의 거리를 크게 할 수 있어 안테나 사이를 연결하는 기선 벡터 방향을 정밀하게 구할 수 있으므로, 최종적으로 관측 목표물의 위치를 정밀하게 구할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 관측 목표물의 위치를 검출하기 위한 시스템의 설치 개념도이다.
도 1에서, Ant1, Ant2는 두 개의 GPS 안테나를 나타내며, Target은 위치를 검출하고자 하는 관측 목표물을 나타낸다. 또한, 상기 관측 목표물인 Target을 관측하는 관측 원점은 Ant2와 동일지점에 위치하는데, 이 Ant2는 Target을 관측하는 관측장비에 설치된다.
상기 두 개의 GPS 안테나(Ant1, Ant2) 중 어느 안테나를 좌표 기준점으로 설정하여도 관계없지만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 Ant1을 좌표 기준점으로 설정하여 설명한다.
먼저, 좌표 기준점에 해당되는 Ant1의 절대 좌표(x1,y1,z1)를 구하게 되는데, 본 발명의 실시예에서는 단일 수신 GPS 방식 또는 절대적 좌표에 고정되어 있는 기지국으로부터 무선으로 전송받는 GPS 위성 신호의 전파 시간 지연 정보를 이용한 Code DGPS 방식을 통하여 Ant1의 정확한 절대 좌표를 구한다. 상기 Ant1의 절대 좌표 오차는 방향 오차와는 무관한 것으로 Target의 좌표 오차에 단순히 더해지기만 하는 오차이며, Target까지의 거리에 비례하여 변화하는 오차가 아니다.
도 1에서, Ant1에서 Ant2로의 벡터
Figure 112005053156212-PAT00001
는 Ant1을 좌표 기준점으로 하여 Ant2의 상대 좌표(x2,y2,z2)를 구함으로써 얻어질 수 있다. 또한, 좌표 기준점(Ant1)에서 Target까지의 방향 벡터
Figure 112005053156212-PAT00002
는 Ant1에서 Ant2로의 벡터
Figure 112005053156212-PAT00003
벡터와 Ant2에서 Target까지의 방향 벡터
Figure 112005053156212-PAT00004
를 벡터 덧셈함으로써 구할 수 있다. 관측 목표물(T)의 절대 좌표(xt,yt,zt)는 Ant1의 절대 좌표(x1,y1,z1)에
Figure 112005053156212-PAT00005
벡터의 x, y, z축 성분을 더함으로써 구할 수 있다.
한편, 벡터
Figure 112005053156212-PAT00006
는
Figure 112005053156212-PAT00007
×
Figure 112005053156212-PAT00008
으로 구할 수 있다. 여기서
Figure 112005053156212-PAT00009
은 Ant2로부터 Target 방향으로의 단위 벡터(Unit Vector)이다. Ant2로부터 Target까지의 거리
Figure 112005053156212-PAT00010
는 레이저(Laser)를 이용한 거리 탐지기를 이용함으로써 정밀하게 구할 수 있다. 또한, 벡터
Figure 112005053156212-PAT00011
는 관측장비인 망원경 등의 자세(Attitude)를 측정함으로써 알 수 있다. 따라서, Ant1에서 Ant2 까지의 기선 벡터(
Figure 112005053156212-PAT00012
)를 구하고, Ant2에서의 Target에 대한 관측 방향(
Figure 112005053156212-PAT00013
)을 지구 좌표에 의거하여 구한 후, Ant2에서 Target까지의 거 리(
Figure 112005053156212-PAT00014
)를 구하면 Target의 절대 좌표를 구할 수 있다. 즉, Ant1에서 Ant2 까지의 기선 벡터
Figure 112005053156212-PAT00015
는 GPS의 Carrier DGPS 방식을 통하여 지구 좌표를 기준으로 하여 정밀하게 구할 수 있으며, Ant2에서 Target까지의 거리
Figure 112005053156212-PAT00016
는 Laser 거리 탐지기를 이용하여 정밀하게 구할 수 있다. 따라서, 관측 방향에 대한 단위 벡터
Figure 112005053156212-PAT00017
를 구하면 Target의 절대 좌표를 구할 수 있게 된다.
관측 방향의 단위 벡터는 관측 방향과 일치하는 방향에 Ant2와 Target 사이에 임의의 점 Pr을 배치하고 Ant2로부터 Pr까지의 방향을 구함으로써 얻을 수 있다. Ant2로부터 Pr까지의 벡터는 Pr(xr,yr,zr)의 좌표를 구하고 이로부터 Ant2의 좌표 Ant2(x2,y2,z2)를 빼 줌으로써 구할 수 있다. 따라서, Target의 절대 좌표를 구하는 문제는 Ant2와 Target 사이에 존재하는 Pr의 좌표를 구함으로써 얻어진다. Pr의 좌표에는 미지수가 3개이므로 Pr의 위치와 관련된 독립된 매개 변수 3개를 측정함으로써 얻을 수 있다.
여러 가지 다양한 방법으로 Pr의 좌표를 구할 수 있지만, 본 발명의 실시예에서는 Ant1과 Ant2의 기선 벡터와 무관하게 관측 방향과 일정한 관계를 갖는 제 3의 점(Pr)에 대한 위치 좌표를 구하기 위하여, Ant1에서 Pr까지의 거리
Figure 112005053156212-PAT00018
, Ant2에서 Pr까지의 거리
Figure 112005053156212-PAT00019
, Pr과 지구 중력의 연직 방향이 이루는 각인 θ각을 각각 독립 측정 변수로 이용한다.
Ant2에서 Pr까지의 거리
Figure 112005053156212-PAT00020
,
Figure 112005053156212-PAT00021
벡터와 지구 중력의 연직 방향이 이루는 각인 θ각을 알 경우에 Pr의 고도는 z2＋
Figure 112005053156212-PAT00022
×cos(θ)로 주어지므로, 좌표를 알고 있는 Ant1과 Ant2로부터 Pr까지의 거리와 Pr의 고도를 통하여 Pr의 좌표를 설정할 수 있게 된다.
Pr의 좌표를 설정하는 원리를 간략히 설명하면, 먼저 Ant1과 Pr 사이의 거리를 알게 되면 Pr이 위치할 수 있는 구면(Sphere)이 Ant1을 중심점으로 하는 구면의 형태로 그려진다. 또한, 상기 Ant1을 기준으로 하는 Ant2의 상대적 좌표는 Carrier DGPS 방식에 의해 정밀하게 측정될 수 있으며, Ant2와 Pr 사이의 거리를 알게 되면 Pr이 존재할 수 있는 또 하나의 구면이 Ant2를 중심으로 해서 그려진다. 따라서, Pr은 상기 두 구면이 만나는 원 또는 타원의 선상에 존재한다.
Ant2의 고도를 기준으로 하는 Pr의 고도는 상술한 바와 같이 Ant2와 Pr 사이의 거리와 연직 방향에 대한 각도를 통하여 쉽게 계산할 수 있다. 따라서, 상기한 두 개의 구면이 만나는 원 또는 타원과 상기한 Pr의 고도가 일치하는 점이 Pr의 좌표가 되는 것이다. 이때, 원 또는 타원과 Pr의 고도가 일치하는 점이 2점 모호성(Square Root Ambiguity)에 의해 2개가 나타날 수 있는데, 이는 관측 방향을 지향하는 상기 Ant2와 Pr의 연장선상에서 벗어난 제 3의 위치에 다른 지점을 설정함으로 써, 2 개의 점 중 실제 Pr의 위치를 판명할 수 있다.
즉, 상기한 Pr의 좌표를 확인하는 방법과 동일한 방법으로 제 3의 다른 지점에 대해 2점 모호성에 의한 2개의 좌표를 계산하고, Pr이 존재할 수 있는 2개의 좌표와 다른 지점이 존재할 수 있는 2개의 좌표 사이의 가능한 4가지 조합 중에서 Pr 및 다른 지점 사이의 실제 거리와 동일한 거리를 갖는 조합을 설정함으로 실제 Pr의 좌표 및 다른 지점에 대한 좌표를 판명하게 된다.
상기 독립 측정 변수 중, Ant2에서 Pr까지의 거리
Figure 112005053156212-PAT00023
는 Pr의 위치를 Ant2와 일정 거리를 이격시켜 고정시킴으로써 관측 방향과 관계없이 구할 수 있다. 또한,
Figure 112005053156212-PAT00024
벡터와 지구 중력의 연직 방향이 이루는 각인 θ각은 가격이 저렴한 경사각 탐지기를 사용하여 0.01°이내의 정밀도를 갖도록 매우 정확하게 구할 수 있는데, 지구 중력 방향이 지구체(Geoid)와 거의 모든 지역에서 수직을 이루므로 이 θ각은 WGS84 좌표를 기준으로 한 측정이 된다. 따라서, 상기 독립 측정 변수 중 남은 Ant1에서 Pr까지의 거리
Figure 112005053156212-PAT00025
을 구하면 Pr의 좌표를 구할 수 있게 된다.
Ant1에서 Pr까지의 거리
Figure 112005053156212-PAT00026
을 구하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있지만 본 발명의 실시예에서는 초음파를 이용하여
Figure 112005053156212-PAT00027
을 정밀하게 구하는 방법을 제시한다. 초음파는 음파로써 0℃ 1기압 공기중에서 대략 331.5m/sec의 속도를 갖는다. 현재의 전자기술로 1 microsec 단위로 음파 신호를 검지하는 것은 매우 쉬운 일인데 1 microsec의 시간 분해능은 0.33mm 정도의 거리 분해능으로 된다. 현재 초음파를 이용한 거리 측정에서 40kHz의 음파를 사용하여 0.1mm 단위의 분해능을 갖는 거리 탐지기가 상용화되어 있으며, 40kHz 보다 고주파를 사용하거나, 초음파의 위상(Phase)을 비교하면 쉽게 0.01mm 이하의 거리 분해능을 구현할 수 있다. 따라서, Ant1의 파장 중심 위치에 초음파 발생기를 부착하고 Pr에 초음파 센서를 부착한 후, 초음파 발신기에서 초음파가 발신되기 시작한 순간의 시간과 초음파 센서에서 초음파가 수신되기까지의 시간차를 구하면,
Figure 112005053156212-PAT00028
의 거리를 0.1mm 이내의 오차로 측정할 수 있다.
한편, 관측 방향으로의 벡터
Figure 112005053156212-PAT00029
는 Ant2의 파장 중심점과 Pr에 있는 초음파 센서를 연결하는 벡터이다. 그러므로 Ant2의 위치가 정밀하게 구해져야 이를 기반으로 Pr의 좌표를 정밀하게 구할 수 있으며, 이에 따라 관측 방향 벡터
Figure 112005053156212-PAT00030
를 정밀하게 구할 수 있다. 그러나 Carrier DGPS 방식으로 파악한 Ant2의 좌표는 5mm 정도의 오차를 가지게 된다. Ant1과 Ant2의 기선 벡터를 결정함에 있어서 5mm 정도의 Ant2의 위치 오차는, Ant1과 Ant2 사이의 거리를 5m 정도로 할 때 최대 0.06°의 방향 오차를 가져오나, Ant2와 Pr 사이의 거리를 50cm로 할 경우 5mm의 Ant2의 위치 오차는 관측 방향 벡터
Figure 112005053156212-PAT00031
측정에 최대 0.6°의 오차를 가져오기 때문에, carrier DGPS 방식으로 구해진 Ant2의 위치를 그대로 사용할 경우 관측 방향 측정 오차에 심각한 영향을 미치게 된다. 따라서, 관측 방향을 정밀하게 결정하기 위해서는 Ant2의 위치를 더욱 정밀하게 측정하여야 한다.
본 발명의 실시예에서는 Ant2의 위치를 정확하게 측정하기 위하여 하나의 초음파 센서를 Ant2의 파장 중심점과 동일한 위치에 배치시키고 Ant1에서 이 관측점까지의 거리를 초음파를 이용하여 정밀하게 측정하는 방법을 제시한다. Carrier DGPS 방식으로 Ant1과 Ant2의 좌표를 구하고 이 사이를 연결하는 기선 벡터를 구하면 이 기선 벡터로부터 측정된 좌표계(Measured Frame)를 구축할 수 있다. Ant1과 Ant2 사이의 거리가 5m 일 때, Ant2의 위치 오차 5mm는 측정된 좌표계를 실제 좌표계에서 최대 0.06° 틀어지게 한다. 이런 방법으로 구축된 측정된 좌표계에서 Ant1에서 Ant2까지의 거리가 초음파로 정밀하게 구해지므로, Ant2의 위치는 측정된 좌표계에서 0.1mm의 오차 이내에서 정밀하게 좌표가 결정된다. 그러므로 측정된 좌표계에서 Ant2의 위치가 0.1mm의 오차 이내로 결정되고,
Figure 112005053156212-PAT00032
,
Figure 112005053156212-PAT00033
및 θ를 정밀하게 알게 됨으로써, 측정된 좌표계에서 Pr의 좌표를 0.1mm 이내의 정밀도로 구할 수 있다. 이때 사용된 좌표는 기선 벡터에 의해 측정된 좌표계로 상기한 5m의 안테나 사이 거리와 GPS에 의한 위치 오차 5mm를 가정할 경우, 실제 기준 좌표계와 최대 0.06° 틀어지게 된다. 상기 각 오차는 관측 방향 벡터의 측정 오차에 단순히 더해지게 된다. 다시 설명하면 5mm의 위치 오차를 가지는 carrier DGPS 방식으로 측정 된 측정 좌표계를 구축하고, 측정 좌표계에서, 초음파 전파 속도를 기준으로 측정된 Ant1과 Ant2 사이의 거리를 이용함으로써 Ant2의 위치를 0.1mm 오차의 정밀도로 정밀하게 측정하고 이를 기준으로, Pr의 좌표를 구함으로써 관측 방향 벡터
Figure 112005053156212-PAT00034
를 구한다. Ant2의 위치 좌표와 Pr의 위치 좌표가 0.1mm 이내에서 정밀하게 측정되므로, 예를 들어 50cm 정도인 Ant2의 초음파 센서와 Pr 사이의 짧은 거리에도 불구하고 관측장비의 관측 방향을 매우 정밀하게 측정할 수 있다.
Ant2의 파장 중심점에 초음파 센서를 공간적으로 일치시키는 것은 Ant1에서 고려되는 초음파 센서로의 방향 벡터를 Carrier DGPS 방식을 통하여 얻어진 방향 벡터로 그대로 쓸 수 있도록 하여 준다.
상기한 방법을 사용할 경우 예를 들어, Ant1과 Ant2 사이의 거리를 5m, carrier DGPS에 의한 Ant2의 상대 위치 오차를 5mm, 초음파에 의한 거리 정밀도를 0.1mm, Ant2의 초음파 센서와 Pr 위치의 초음파 센서 사이 거리를 50cm 라고 가정 할 경우, 절대 기준 좌표계에 대한 관측 방향 벡터
Figure 112005053156212-PAT00035
의 측정 오차는 기선 벡터의 오차를 포함하여 최대 0.07° 가 된다. 그러므로 본 발명에 의하면 관측 방향 전환시 회전하여야 하는 부분이 Ant2와 결합되어 있는 관측장비뿐이며, 관측장비의 크기가 작아도 정밀한 관측 방향 측정이 가능하므로, 관측 방향의 전환이 쉬우며, 정밀하고 은밀한 관측이 가능하다.
이렇게 구해진 관측 방향
Figure 112005053156212-PAT00036
벡터에 Laser 거리 탐지기를 이용하여 얻어진 Target까지의 거리를 곱하면 관측 기준점(Ant2)과 관측 목표점(T) 사이의 벡터
Figure 112005053156212-PAT00037
를 구할 수 있다. 이렇게 구해진
Figure 112005053156212-PAT00038
벡터에 GPS 신호로부터 구해진
Figure 112005053156212-PAT00039
벡터를 더하면 Ant1과 Target을 연결하는
Figure 112005053156212-PAT00040
벡터를 구할 수 있다.
최종적으로 Target의 좌표를 구하기 위해서는 먼저 Ant1의 좌표를 구해야 하는데, 이 Ant1의 좌표는 Ant1에서 수신된 GPS 신호를 일반적인 GPS 방법이나 공중파를 통해 제공되는 DGPS 교정 정보를 이용하여 구한다. 이때, 발생하는 Ant1의 위치 오차는 Target의 위치 오차에 단순한 덧셈으로만 작용하게 되므로 각도 오차에 비해 그 심각성이 미약하다. 이런 방법을 통하여 얻어진 Ant1의 위치 좌표에 상기 과정을 통하여 구해지는
Figure 112005053156212-PAT00041
벡터를 더하면 최종적으로 지구 좌표를 기준으로 한 Target의 위치 좌표를 구할 수 있게 된다.
상술한 초음파를 통한 거리 측정 방법에서 초음파의 전파 속도를 이미 정확하게 알고 있는 상수로 설정하여 설명하였지만, 초음파의 전파 속도는 온도, 압력, 습도 등에 따라 시시각각 변동되게 된다. 따라서, 초음파의 전파 속도를 정밀하게 측정하여야 할 필요가 있다. 통상 초음파의 전달 속도는 일정한 이격 거리를 갖는 초음파 발신기와 초음파 센서 사이의 초음파의 전파 전달 시간을 측정함으로써 구할 수 있다.
하지만, 본 발명의 실시예에서는 GPS 신호를 기준으로 측정된 GPS 안테나 사이 거리를 각 GPS의 파장 중심점에 있는 초음파 발신기와 초음파 센서 사이의 초음파 전달 시간으로 나눔으로써 초음파의 전달 속도를 측정하는 방법을 제시한다. 이 방법은 초음파 전달 속도 측정을 위한 별도의 장치가 필요하지 않기 때문에 전체 시스템의 구성이 간단하며, 관측장비와 동일한 위치에 있는 초음파 센서를 이용하 여 초음파 전달 속도를 측정함으로써 국부적인 공기층 요란에 의한 초음파 전파 속도의 차이를 상쇄할 수 있는 장점이 있다. GPS 신호에 의한 안테나 사이의 거리 오차를 최대 5mm 정도로 가정하고 안테나 사이의 거리가 5m 정도로 가정할 경우, 초음파의 전파 속도는 최대 0.1%의 오차로 구할 수 있다. 관측 방향의 결정에 있어서는 Ant1과 Ant2 사이의 거리 및 Ant1과 Pr 사이의 거리의 절대값이 중요한 것이 아니라, 이들 값들의 상대값이 중요하다.
평면상의 경우를 예로 들면, Ant1의 실제 좌표를 (0,0), Ant2의 실제 좌표를 (5000,0), Pr의 실제 좌표를 (5000,500)이라 하자. 이때 Ant1에서 Pr 까지의 거리는 5024.938이 된다. 이때 초음파 전파 속도 측정이 0.1％ 오차가 생길 경우 측정된 Ant2의 좌표는 (5005,0)이 되며, Ant1에서 Pr 까지의 측정 거리는 5029.963이 된다. Ant2에서 Pr 까지의 거리는 초음파 속도와 관계없이 500이므로, Ant1에서 Pr 까지의 거리와 Ant2에서 Pr 까지의 거리를 이용하여 구해진 Pr의 좌표는 (5005.05, 499.9997)이 된다. 그러므로 실제의 관측각과 0.1％ 초음파 전달 속도의 차이에 의한 관측각 사이에는 0.0057°의 매우 작은 오차만 발생한다. 그러므로 최대 0.1％의 초음파의 전파 속도 측정 오차로 인한 관측각 측정 오차는 0.01°이하로써, 기선 벡터의 방향 오차 등 다른 측정 오차에 비해 매우 미미한 오차 값을 가지게 된다.
상기 초음파 전파 속도의 측정은 carrier DGPS 방식으로 거리가 결정된 Ant1 과 Ant2 사이의 초음파 전파 시간을 주기적으로 측정하여 초음파 전파 속도를 주기적으로 갱신하는 방법을 사용할 수 있으며, 또한 관측 목표물(T)의 좌표를 측정하는 순간에 연동하여 초음파의 전파 속도를 측정함으로써 관측 순간의 정확한 초음파 전파 속도를 실시간으로 검출할 수도 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 초음파 전파 속도를 갱신하기 위한 초음파 전파 시간의 측정은 초음파 발신기에서 주기적으로 발사되는 초음파 펄스 신호에 따라 이루어지게 되는데, 상기 초음파 전파 속도의 갱신은 기 설정된 시간 동안 주기적으로 이루어지도록 설정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 초음파의 속도는 GPS 안테나의 상대 위치로부터 GPS 안테나 사이의 거리를 구하고, 이 거리를 기준으로 초음파의 전달 시간을 측정함으로써 전파 속도를 구하고 있다.
일반적으로 Carrier DGPS 방식을 통하여 GPS 안테나의 상대 위치를 구하는 과정에서 Integer Ambiguity가 발생하게 된다. 이 Integer Ambiguity란 Carrier DGPS 방식의 위상 비교 과정에서 단순히 전자파의 위상만을 비교할 때 원래의 위상차가 φ인지 2nπ+φ(n: 정수)인지 구분할 수 없다는 것을 의미하는데, 이를 구분하기 위해서는 여러 개의 GPS 신호에 대해 각 위상차를 구하고 이들을 반복(Iteration) 비교하여 n 값을 구하는 과정이 필요하다. 일반적으로 Carrier DGPS 방식을 쓸 경우 각 안테나 사이의 거리를 미리 정해주지 않아도 여러 가지 가능한 n 값 중 각 위성에 모두 일치하는 해를 추적하는 방식으로 n 값을 알아낸다. 그러나 안테나 사이의 거리가 먼 경우 수학적으로 가능한 n 값이 매우 많기 때문에 Integer Ambiguity를 제거하기 위해서는 복잡한 계산이 필요하다.
하지만, 만약 GPS 안테나의 상대 위치를 구하는 과정에서 GPS 안테나 사이의 거리를 미리 알고 있다면 가능한 n 값을 범위를 대폭 줄여, Integer Ambiguity를 제거하기 위한 계산량을 줄이게 함으로써 빠른 시간내에 GPS 안테나의 좌표 확인 계산을 수행할 수 있다. 즉, GPS 안테나 사이의 거리를 미리 알고 있어야 할 필요성은 가능한 n 값의 범위를 줄이는 것이므로, 안테나 사이 거리의 초기값으로 GPS 신호 전자파의 한 파장 내의 오차를 갖는 거리를 대입하면, 이값이 안테나 사이 거리의 충분히 양호한 초기치로 작용할 수 있게 된다.
도 2는 이러한 Carrier DGPS 방식의 GPS 안테나 거리 계산에서 발생하는 Integer Ambiguity의 폭을 줄이기 위해 초기값으로 설정될 GPS 안테나 사이 거리를 구하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 일정한 설정 거리로 이격된 Ant1과 Ant2의 거리를 Carrier DGPS 방식을 통하여 측정한다(단계 S10). 이를 위하여, 관측을 시작할 때 쉽게 거리를 확인할 수 있는 거리, 예를 들면 100cm에서 ±10cm 이내 영역의 거리에서 Ant1과 Ant2의 상대 위치를 구하게 된다. 이때, Ant1과 Ant2 사이의 추정 거리는 100cm가 되는데, ±10cm 정도의 오차는 한 위상의 1/2 정도에 불과하므로 추정값의 오차가 GPS 안테나 사이 거리를 확정하는데 방해요소로 작용하지 않는다. 초기 추정 거리를 기준으로 Carrier DGPS 방식에 따라 위상을 비교하여 Ant1과 Ant2 사이의 거리를 구하면, 각 안테나의 상대 위치는 ±5mm 이내에서 정확히 구해진다.
상기의 과정을 통하여 안테나 사이 거리가 구해지면 이를 통하여 초음파의 속도를 측정한다(단계 S11). 즉, Ant1과 Ant2 사이의 거리와, Ant1의 초음파 발신기와 Ant2의 초음파 센서 사이의 초음파 신호 지연 시간으로부터 주어진 온도, 기압, 습도하에서의 초음파 초기 전파 속도를 ±0.5％ 이내에서 정확히 구할 수 있다.
초음파 초기 전파 속도가 구해지면, Ant1과 Ant2를 원하는 거리 만큼 이격시킨 후 초음파를 이용하여 두 안테나 사이의 거리를 측정하여 추정 거리를 구한다(단계 S12). 예를 들어, Ant1과 Ant2를 5m 정도 이격시킨 후 초음파 초기 전파 속도로부터 두 안테나 사이의 추정 거리를 구하면, 5m 정도 떨어진 거리에서의 안테나 사이 거리 오차를 ±2.5cm 이하로 구할 수 있다.
초음파 초기 전파 속도를 통하여 안테나 사이의 추정 거리가 구해지면, 추정 거리를 초기값으로 하여 Carrier DGPS 방식에 따라 Integer Ambiguity를 제거한 후두 안테나 사이의 실제 거리를 구하게 된다(단계 S13). 상기 과정을 통하여 구해진 GPS 안테나 사이의 거리 오차는 ±5㎜ 정도가 되는데, 이때 구해진 안테나 사이의 거리와 안테나 사이의 초음파 전달 시간으로부터 초음파의 전파 속도를 재측정하게 되면 0.1％ 이내의 오차로 초음파 전파 속도를 정확하게 측정할 수 있게 된다. 즉, 초음파의 전파 속도는 대기 온도, 습도, 기압에 따라 수시로 변동되므로 GPS 수신기를 가동할 때마다 GPS 수신기로 구해진 안테나 사이의 거리를 동일한 안테나에 위치한 초음파 발생기와 초음파 센서 사이의 시간 지연으로 나눔으로써 실시간으로 초음파의 전파 속도를 구할 수 있게 된다.
상술한 본 발명의 실시예에서 나타나는 측정 오차는 모두 최대 측정 오차로써, 실질적 오차는 최대 측정 오차의 1/3 정도인 0.02° 이하의 RMS 측정 오차를 가지게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 측정은 매우 정밀한 관측을 가능하게 하며, 초음파의 전파 속도를 실시간으로 측정함으로써 공기층이 불안한 지역에서도 초음파를 이용한 정밀한 관측이 가능하도록 해준다.
또한, 상술한 본 발명의 실시예에서 거리 탐지기를 사용하여 Ant2와 관측 목표물의 거리를 측정하고 있지만, 이 거리 탐지기가 없어도 관측 목표물의 좌표를 구할 수 있다. 이는 망원경으로 한 관측 지점에서 관측 목표물에 관측장비인 망원경의 조준선을 맞추고 관찰 방향을 조사한 후, 다른 지역으로 시스템을 옮겨 동일한 관측 목표물에 망원경의 조준선을 맞추고 측정하여 또 하나의 관찰 방향 벡터를 구한 후, 각각의 관측 위치에서 조사된 관찰 방향 벡터들의 연장 선들이 만나는 점을 컴퓨터로 조사하면 그 점이 관측 목표물의 좌표가 된다. 이러한 거리 탐지기가 없어도 관측 목표물의 좌표를 지구 좌표를 기준으로 구할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 관측 목표물의 위치 검출 시스템의 블록 구성도이고, 도 4는 관측 목표물의 위치를 검출하기 위한 시스템의 설치 구성도이다.
도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 위치 검출 시스템은 좌표를 검출하고자 하는 관측 목표물에 대한 좌표 기준을 제공하는 기준 안테나부(100)와, 상기 기준 안테나부(100)와 이격 설치되어 관측 목표물을 관측하는 관측장비부(200)와, 상기 기 준 안테나부(100)와 관측장비부(200)의 동작을 제어하고 이들로부터 전송되는 데이터를 분석하여 관측 목표물에 대한 관측 위치를 검출하는 제어부(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 기준 안테나부(100)에는 GPS 위성으로부터 위성 신호를 수신하는 제 1 GPS 안테나(110)와, 상기 제 1 GPS 안테나(110)의 파장 중심점에 설치되어 관측장비부(200)에 초음파를 발사하는 초음파 발신기(120)가 구비되어 있다. 이와 같이, 상기 제 1 GPS 안테나(110)는 관측장비부(200)와 이격되어 유선으로 연결되어 있으므로 관측장비부(200)의 자세 전환과 무관하게 구동된다. 상기 제 1 GPS 안테나(110)와 초음파 발신기(120)는 제어부(300)와 전기적으로 연결되어 데이터를 송수신하게 된다.
상기 관측장비부(200)에는 관측 목표물을 관측하기 위한 관측장비(210)와, GPS 위성으로부터 위성 신호를 수신하는 제 2 GPS 안테나(220)와, 상기 초음파 발신기(120)로부터 전송되는 초음파 신호를 감지하는 제 1 초음파 센서(230)와 제 2 초음파 센서(240) 및 제 3 초음파 센서(250)와, 상기 관측장비(210)의 지향 경사도를 측정하는 경사각 탐지기(260)와, 관측장비(210)와 관측 목표물 사이의 거리를 측정하는 거리 탐지기(270)가 구비되어 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 관측장비(210)는 원거리에 위치된 관측 목표물을 관측할 수 있는 망원경으로 이루어지는데, 상기 제 2 GPS 안테나(220)와 제 1,2,3, 초음파 센서(230)(240)(250) 및 경사각 탐지기(260)와 거리 탐지기(270)는 이 망원경과 일체로 제작된다.
상기 제 1 초음파 센서(230)는 제 2 GPS 안테나(220)의 파장 중심점에 설치되고, 제 2 초음파 센서(240)는 관측장비(210)의 관측 지향 방향과 일치되도록 제 1 초음파 센서(230)와 상호 이격 설치되며, 제 3 초음파 센서(250)는 제 1 초음파 센서(230)와 제 2 초음파 센서(240)의 연결선상에서 벗어나 설치됨으로써 관측 방향 계산 과정에서 발생하는 2점 모호성을 제거할 수 있도록 한다. 본 발명의 실시예에서 상기 제 1 초음파 센서(230)와 제 2 초음파 센서(240)는 약 50㎝의 이격 거리를 갖는다.
본 발명의 실시예에서 상기 거리 탐지기(270)는 관측장비(210)와 관측 목표물과의 거리를 레이저 다이오드를 이용하여 측정하는 Range Finger 및 이 Range Finder를 구동하기 위한 스위치를 포함하여 이루어지며, 상기 경사각 탐지기(260)는 관측장비(210)와 지구 중력의 연직 방향이 이루는 각을 측정하는 Tilt Meter로 이루어진다. 상기 관측장비부(200)에 구비된 각 장치들은 제어부(300)와 전기적으로 연결되어 제어부(300)와 데이터를 송수신하게 된다.
상기 제어부(300)에는 제 1 GPS 안테나(110) 및 제 2 GPS 안테나(220)로부터 전송되는 위성 신호를 분석하여 제 1,2 GPS 안테나(110)(220)의 위치를 파악하는 GPS 수신기(310)와, 상기 GPS 수신기(310)와 기준 안테나부(100) 및 관측장비부(200)로부터 전송되는 데이터를 분석하여 관측 목표물의 좌표를 검출하는 제어보드(320)가 구비되어 있다.
상기 GPS 수신기(310)는 제 1 GPS 안테나(110)와 제 2 GPS 안테나(220)로부터 전송되는 GPS 위성 신호를 Carrier DGPS 방식을 통하여 분석하여 지구 좌표를 기준으로 하는 제 1,2 GPS 안테나(110)(220)의 좌표를 계산하여 제어보드(320)에 전달하는 역할을 수행한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제어보드의 블록 구성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제어보드(320)에는 제 1,2 GPS 안테나(110)(220) 사이의 기선 벡터를 검출하는 기선 벡터 검출모듈(322)과, 제 2 GPS 안테나(220)와 관측 목표물 사이의 벡터를 검출하는 관측 벡터 검출모듈(323)과, 관측 목표물의 좌표를 검출하는 관측 목표물 좌표 검출모듈(324)과, 제 1,2 GPS 안테나(110)(220)의 상대 위치 계산시 발생되는 Integer Ambiguity를 제거하는 Integer Ambiguity 제거모듈(325)과, 초음파의 속도를 측정하는 초음파 속도 검출모듈(326)과, 상기 각 부의 동작을 제어하는 중앙처리부(321) 및 메모리(327)가 구비된다.
상기 기선 벡터 검출모듈(322)은 GPS 수신기(310)로부터 전송되는 제 1,2 GPS 안테나(110)(220)의 좌표를 분석하여 제 1 GPS 안테나(110)와 제 2 GPS 안테나(220)의 기선 벡터를 검출하는 프로그램 모듈이다.
상기 관측 벡터 검출모듈(323)은 관측 원점인 제 2 GPS 안테나(220)와 관측 목표물 사이의 벡터를 검출하는 프로그램 모듈이다. 이 관측 벡터 검출모듈(323)은 제 1 GPS 안테나(120)에 설치된 초음파 발신기(120)를 구동하고, 관측장비(210)에 설치된 제 1,2,3 초음파 센서(230)(240)(250)로부터 초음파 전달 신호를 전송받아 각 초음파 센서(230)(240)(250)와 초음파 발신기(120)의 거리를 계산하며, 경사각 탐지기(260)로부터 관측장비(210)의 경사도 정보를 전송받아 제 1 초음파 센서(230)와 제 2 초음파 센서(240)를 연결하는 관측 라인과 지구 중력의 연직 방향이 이루는 각을 파악한다. 또한, 이 관측 벡터 검출모듈(323)은 경사각 탐지기(260)와 초음파 발신기(120) 및 각 초음파 센서(230)(240)(250)의 정보를 종합하여 관측장비(210)의 관측 방향에 대한 단위 벡터를 계산하고, 계산된 단위 벡터와 거리 탐지기(270)로부터 획득된 관측 목표물까지의 거리를 곱하여 관측장비(210)와 관측 목표물 사이의 관측 방향 벡터를 검출하게 된다.
상기 관측 목표물 좌표 검출모듈(324)은 기선 벡터 검출모듈(322)을 통하여 검출되는 제 1,2 GPS 안테나(110)(220) 사이의 기선 벡터와 관측 벡터 검출모듈(323)을 통하여 검출된 관측장비(210)와 관측 목표물 사이의 벡터를 더하여 제 1 GPS 안테나(110)와 관측 목표물까지의 방향 벡터를 계산한다. 그리고 상기 계산된 제 1 GPS 안테나(110)와 관측 목표물까지의 벡터에 제 1 GPS 안테나(110)의 절대 좌표를 더하여 최종적으로 관측 목표물의 좌표를 검출하게 된다.
상기 Integer Ambiguity 제거모듈(325)은 기선 벡터 검출모듈(322)을 통한 제 1,2 GPS 안테나(110)(220)의 상대 위치를 계산하는 과정에서 발생하는 Integer Ambiguity를 제거하기 위해 안테나 사이의 추정 거리로부터 n 값의 범위를 지정하여 계산량을 줄이는 프로그램 모듈이고, 상기 초음파 속도 검출모듈(326)은 Carrier DGPS 방식에 따라 정밀하게 거리가 측정된 제 1,2 안테나(110)(220) 거리를 통하여 초음파 발신기(120)와 제 1 초음파 센서(230) 사이의 초음파의 전파 속도를 측정하여 초음파를 통한 정밀한 거리 측정이 가능하도록 하는 프로그램 모듈이다. 상기 초음파 발신기(120)와 각 초음파 센서(230)(240)(250)는 제어보드(320)에 의해 구동되기 때문에, 초음파 센서(230)(240)(250)에서의 시간 지연을 초음파 발신기(120)가 동작하는 시점부터 정확히 구할 수 있게 된다.
도 6은 상기의 구성으로 이루어진 제어보드에 의해 관측 목표물의 좌표가 검출되는 과정을 나타낸 흐름도이다.
단계 S100 : 먼저, 제 1,2 GPS 안테나(110)(220)는 GPS 위성으로부터 발사되는 GPS 위성신호를 수신하여 GPS 수신기(310)에 전송하고, GPS 수신기(310)는 GPS 위성 신호를 분석하여 제 1 GPS 안테나(110)의 절대 좌표와 제 2 GPS 안테나(220)의 제 1 GPS 안테나(110)에 대한 상대 좌표를 계산하여 제어보드(320)에 전송한다(단계 S100).
단계 S110 : 제어보드(320)의 기선 벡터 검출모듈(322)은 GPS 수신기(310)로부터 전송되는 제 1,2 GPS 안테나(110)(220)의 좌표 정보를 분석하여 제 1,2 GPS 안테나(110)(220) 사이의 기선 벡터를 계산한다. 상기 기선 벡터를 구하기 위하여 제 1,2 GPS 안테나(110)(220)의 상대 위치를 계산하는 과정에서 발생되는 Integer Ambiguity는 제어보드(320)의 Integer Ambiguity 제거모듈(325)에 의해 제거되어 계산 과정이 빠르고 정확하게 이루어진다(단계 S111).
단계 S120 : 제어보드(320)의 관측 벡터 검출모듈(323)은 초음파 발신기(120)를 구동시켜 초음파 발신기(120)와 제 2 초음파 센서(230)의 거리를 측정하고, 경사각 탐지기(260)를 구동시켜 관측장비(210)의 경사각을 측정하며, 제 2 GPS 안테나(220)와 제 2 초음파 센서(240)의 거리를 파악하게 된다. 상기 과정에서 Carrier DGPS 방법에 따라 정밀하게 거리가 측정된 제 1 GPS 안테나(110)와 제 2 GPS 안테나(220) 사이의 거리를 이용하여 초음파의 전파 속도를 측정함으로써, 초음파 발신기(120)와 제 2 초음파 센서(230)의 거리 측정이 정밀하게 이루어질 수 있도록 한다(단계 S121).
단계 S130 : 제어보드(320)의 관측 벡터 검출모듈(323)은 상기 단계(S120)에서 측정된 초음파 발신기(120)와 제 2 초음파 센서(230)의 거리와 관측장비(210) 경사각 및 제 2 GPS 안테나(220)와 제 2 초음파 센서(240)의 거리 정보를 통하여, 제 2 GPS 안테나(220)가 설치된 관측장비(210)에서 관측 목표물의 방향에 대한 단위 벡터를 계산하여 검출하게 된다.
단계 S140 : 제어보드(320)의 관측 벡터 검출모듈(323)은 거리 탐지기(270)를 구동시켜 관측장비(210)와 관측 목표물 사이의 거리를 측정하게 된다.
단계 S150 : 상기 단계(S130)에서 검출된 관측 방향에 대한 단위 벡터에 상기 단계(S140)에서 측정된 관측장비(210)와 관측 목표물 사이의 거리를 곱하여 관측 방향에 대한 관측 목표물의 방향 벡터를 검출하게 된다.
단계 S160 : 관측 목표물의 관측 방향 벡터가 검출되면, 제어보드(320)의 관측 목표물 좌표 검출모듈(324)은 상기 기선 벡터 검출모듈(322)에 의해 검출된 기선 벡터와 상기 관측 벡터 검출모듈(323)에 의해 검출된 관측 방향 벡터를 더하여 제 1 GPS 안테나(110)에서 관측 목표물로의 방향 벡터를 검출하게 된다.
단계 S170 : 상기 단계에서 검출된 제 1 GPS 안테나(110)와 관측 목표물의 방향 벡터에 제 1 GPS 안테나(110)의 절대 좌표를 더함으로써 최종적으로 관측 목표물에 대한 절대 좌표가 검출된다.
본 발명의 실시예에서 제 1,2 GPS 안테나(110)(220)와 일체형으로 제작되는 초음파 발신기(120) 및 제 1 초음파 센서(230)의 위치는 제 1,2 GPS 안테나(110)(220)의 파장 중심점에 두는 것이 바람직하지만, 초음파 발신기(120) 및 제 1 초음파 센서(230)를 제 1,2 GPS 안테나(110)(220)의 파장 중심점에 두지 않고도 제 1,2 GPS 안테나(110)(220) 사이의 거리를 측정하는 것도 가능하다. 초음파 발신기(120) 및 제 1 초음파 센서(230)를 제 1,2 GPS 안테나(110)(220)의 파장 중심점에 두지 않는 경우에는 초음파 발신기(120) 및 제 1 초음파 센서(230)의 위치와 각 GPS 안테나(110)(220)의 파장 중심점과의 관계를 측정하는 것이 필요한데, 이는 각 GPS 안테나(110)(220)의 파장 중심점을 기준으로 대각선 거리에 2개의 초음파 발신기 및 초음파 센서를 배치하여 대칭성에 의해 쉽게 제 1,2 GPS 안테나(110)(120) 파장 중심점 사이의 거리를 측정할 수 있도록 한다.
도 7a는 대칭성에 따른 거리 관계를 나타내기 위한 일례로서, 도 7a에서 BA = CA일 경우,
Figure 112005053156212-PAT00042
이 된다.
도 7b는 상기 도 7a의 관계를 이용한 본 발명의 실시예에 따라 대칭성에 의해 GPS 안테나 사이의 거리가 측정되는 것을 나타내는 일례이다.
도 7b에서, A와 A'는 GPS 안테나의 파장 중심점을 나타내고, B와 C는 초음파 발생기를 나타내며, B'와 C'는 초음파 센서를 나타낸다. 이때, ABC와 A'B'C'는 각각 일직선상에 존재하고, AB=AC, A'B'=A'C'라고 가정하자. 이 경우 GPS 안테나 사이의 초음파 전달 시간은
Figure 112005053156212-PAT00043
이 된다.
따라서, 초음파 발신기와 초음파 센서를 각각의 GPS 안테나(110)(220)의 파장 중심을 기준으로 대칭적으로 분포시킴으로써, 각각의 GPS 안테나(110)(220)의 자세와 관계없이 GPS 파장 중심점 사이의 초음파 전달 시간을 측정할 수 있게 된다. 상기와 같은 배치를 할 경우 관측장비(210)의 두 개의 초음파 센서를 제 2 GPS 안테나(220)의 파장 중심점과 대각선으로 배치하되 이 방향이 관측 방향과 일치하도록 하면 이 두 개의 초음파 센서가 관측 방향으로의 제 1 초음파 센서(230) 및 제 2 초음파 센서(240)의 역할을 동시에 수행할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 관측 목표물의 위치 검출 방법은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함으로 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 관측 목표물의 위치 검출 방법은 두 안테나 사이의 방향과 독립적으로 관측 방향을 설정하고 두 안테나 사이의 방향과 관측 방향 사이의 관계를 측정하여 관측 목표물에 대한 위치를 검출할 수 있도록 함으로써, 관측시에 안테나 전체의 방향을 회전시키지 않고도 관측 방향의 위치를 검출할 수 있어 신속하고 용이하며 은밀한 관측을 가능하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 관측 방향 측정의 정밀도를 결정하는 관측점의 좌표를 구하는데 있어서 매우 정밀한 위치 측정이 가능한 초음파를 사용함으로써 관측장비의 크기가 작아도 매우 정밀한 관측 방향 측정이 가능한 효과가 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 관측 목표물의 위치 검출 방법은 관측 방향의 좌표 검출에 필요한 각 지점의 거리를 측정하는데 이용되는 초음파의 전파 속도를 정확한 거리가 측정된 두 GPS 안테나 사이의 경로를 실시간으로 측정하여 적용함으로써, 공기층의 요동이 심한 지역에서도 초음파를 이용한 관측의 정확성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (19)

  1. 적어도 두 개 이상의 GPS 안테나를 사용하는 Carrier Differential GPS 방식을 이용하여 관측 목표물의 위치를 검출하는 방법에 있어서,
    (a) 관측 목표물에 대한 좌표 기준점을 제공하는 제 1 GPS 안테나(110)와, 상기 제 1 GPS 안테나(110)와 독립적인 위치 이동이 가능하도록 이격되어 관측장비(210)에 설치된 제 2 GPS 안테나(220)를 연결하는 기선 벡터(Base Vector)를 검출하는 단계와;
    (b) 상기 관측장비(210)의 관측 목표물 지향에 따라 상기 제 2 GPS 안테나(220)와 관측 목표물을 연결하는 관측 방향 벡터를 검출하는 단계와;
    (c) 상기 단계에서 검출된 기선 벡터와 관측 방향 벡터를 통하여 제 1 GPS 안테나(110)에 대한 관측 목표물의 방향 벡터를 합하여 관측 목표물의 위치를 검출하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 관측 방향 벡터를 검출하는 단계(b)는
    (b1) 제 2 GPS 안테나(220)로부터 관측 목표물에 대한 지향 방향에 상기 제 2 GPS 안테나(220)와 소정의 거리가 이격되도록 임의의 지점을 설정하는 단계와,
    (b2) 상기 제 2 GPS 안테나(220)와 임의의 지점 사이의 방향 벡터를 계산한 후 방향 벡터의 단위 벡터를 검출하는 단계와,
    (b3) 상기 제 2 GPS 안테나(220)와 관측 목표물 사이의 거리를 검출하는 단계와,
    (b4) 상기 단계에서 검출된 단위 벡터와 제 2 GPS 안테나(220)와 관측 목표물 사이의 거리를 곱하여 제 2 GPS 안테나(220)와 관측 목표물을 연결하는 방향 벡터를 검출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 단위 벡터를 검출하는 단계(b2)는
    상기 제 1 GPS 안테나(110)와 임의의 지점 사이의 거리와, 상기 제 2 GPS 안테나(220)와 임의의 지점 사이의 거리와, 상기 제 2 GPS 안테나(220)와 임의의 지점 사이를 연결하는 지향 방향과 지구 중력의 연직 방향이 이루는 경사각을 각각 검출하고,
    상기 검출된 거리 정보와 경사각 정보로부터 임의의 지점의 좌표를 구하고, 상기 임의의 지점의 좌표와 제 2 GPS 안테나(220)의 좌표로부터 제 2 GPS 안테나(220)와 임의의 지점을 연결하는 단위 벡터를 검출하는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 GPS 안테나(110)와 임의의 지점 사이의 거리는
    상기 제 1 GPS 안테나(110)와 임의의 지점에 각각 초음파 발신기(120) 및 제 2 초음파 센서(240)를 설치하고, 상기 초음파 발신기(120)와 제 2 초음파 센서(240) 사이에서 측정되는 초음파 전파 시간과 초음파 전파 속도의 계산을 통하여 검출되는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 초음파 전파 속도는
    상기 Carrier Differential GPS 방식을 통하여 결정된 제 1 GPS 안테나(110)와 제 2 GPS 안테나(220) 사이의 거리와, 상기 제 1 GPS 안테나(110)와 제 2 GPS 안테나(220)에 각각 설치된 초음파 발신기(120)와 제 1 초음파 센서(230) 사이의 초음파 전파 시간의 계산을 통하여 검출되는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 초음파 전파 속도는
    상기 거리가 결정된 제 1 GPS 안테나(110)와 제 2 GPS 안테나(220) 사이의 초음파 전파 시간을 주기적으로 측정하여 초음파 전파 속도를 재검출함으로써 주기적으로 갱신되는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 초음파 전파 속도는
    관측 목표물을 관측하는 순간에 상기 거리가 결정된 제 1 GPS 안테나(110)와 제 2 GPS 안테나(220) 사이의 초음파 전파 시간을 측정하여 초음파 전파 속도를 검출함으로써 초음파 전파 속도를 측정 순간에 실시간으로 검출하는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 초음파 전파 속도를 갱신하기 위한 초음파 전파 시간의 측정은 초음파 발신기(120)에서 주기적으로 발사되는 초음파 펄스 신호에 따라 이루어지는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 초음파 전파 속도의 갱신은 기 설정된 시간 동안 주기적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  10. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 초음파 발신기(120)는 제 1 GPS 안테나(110)의 파장 중심점에 배치되는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  11. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 제 2 초음파 센서(240)는 제 2 GPS 안테나(110)의 파장 중심점에 배치되는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  12. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 초음파 발신기(120) 또는 제 1 초음파 센서(230)는 제 1 GPS 안테나(110) 또는 제 2 GPS 안테나(220)의 파장 중심점을 기준으로 대각선상의 동일거리에 각각 2개씩 설치되어 제 1,2 GPS 안테나(110)(220) 사이의 거리를 검출할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  13. 제 5항에 있어서,
    상기 제 2 GPS 안테나(220)의 임의의 지점에 대한 방향 벡터를 검출하는 과정에서 발생하는 2점 모호성을 제거하기 위하여, 관측 방향을 지향하는 상기 제 1 초음파 센서(230)와 제 2 초음파 센서(240)의 연장선상에서 벗어난 위치에 제 3 초음파 센서(250)를 설치하여, 제 2 초음파 센서(240)와 제 3 초음파 센서(250) 사이의 거리를 이용하여 2점 모호성을 제거하는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  14. 제 3항에 있어서,
    상기 관측 목표물을 관측하기 위한 관측장비(210)는 망원경을 포함하여 이루 어지고, 상기 제 2 GPS 안테나(220)의 관측 목표물 지향 방향과 지구 중력의 연직 방향이 이루는 각은 관측 목표물을 지향하는 상기 망원경의 경사각을 측정하는 경사각 탐지기(260)를 통하여 검출되는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  15. 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 GPS 안테나(220)와 관측 목표물 사이의 거리를 검출하는 단계(b3)에서 제 2 GPS 안테나(220)와 관측 목표물 사이의 거리는 관측장비(210)에 설치된 레이저를 이용한 거리 탐지기(270)를 통하여 검출되는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1,2 GPS 안테나(110)(220) 사이의 기선 벡터를 검출하는 단계(a)에서
    상기 Carrier Differential GPS 방식으로 제 1 GPS 안테나(110)와 제 2 GPS 안테나(220) 사이의 거리를 검출하는데 발생하는 Integer Ambiguity를 제거하기 위하여, 상기 제 1,2 GPS 안테나(110)(220)에 초음파 발신기(120) 및 제 1 초음파 센서(230)를 각각 설치하여 초음파 전파 속도를 측정하고, 임의의 거리로 이격된 제 1,2 GPS 안테나(110)(220) 사이의 거리를 초음파 전파 시간과 초음파 전파 속도를 통하여 검출한 후, 상기 검출된 제 1,2 GPS 안테나(110)(220) 사이의 거리 정보를 상기 Carrier Differential GPS 방식을 이용한 제 1,2 GPS 안테나(110)(220) 사이의 거리 검출시 초기값으로 이용하는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 GPS 안테나(220)와 관측 목표물의 관측 방향 벡터를 검출하는 단계(b)는
    기준 관측 지점에서 제 2 GPS 안테나(220)가 설치된 관측장비(210)를 관측 목표물에 지향시켜 관측 지점과 관측 목표물의 방향 기선을 검출하고, 다른 관측 지점에서 상기 관측장비(210)를 통하여 관측 목표물의 방향 기선을 검출한 후, 상기 검출된 방향 기선의 교차점을 계산하여 기준 관측 지점에 대한 관측 목표물의 좌표를 검출하는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 관측 목표물의 위치를 검출하는 단계(c)에서
    상기 제 1 GPS 안테나(110)와 관측 목표물의 방향 벡터가 검출되면, 상기 제 1 GPS 안테나(110)의 절대 좌표에 상기 검출된 제 1 GPS 안테나(110)와 관측 목표물의 방향 벡터를 더하여 관측 목표물의 절대 좌표를 검출하는 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
  19. 상기 제 18항에 있어서,
    상기 제 1 GPS 안테나(110)와 관측 목표물의 절대 좌표는 지구기준면 WGS84 좌표축을 기준으로 한 좌표인 것을 특징으로 하는 관측 목표물의 위치 검출 방법.
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