KR20080094493A

KR20080094493A - 직교좌표를 위성항법 시스템의 위치좌표로 변환하는 방법

Info

Publication number: KR20080094493A
Application number: KR1020070038997A
Authority: KR
Inventors: 최항섭; 박동호; 박진호; 진민정
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2008-10-23
Also published as: KR100865164B1

Abstract

본 발명은 직교좌표를 위성항법시스템의 위치좌표로 변환하는 방법에 관한 것으로서, 특히 선박의 동특성 결과인 직교좌표로부터 원점에서의 거리와 방위각을 구하는 제 1 과정과; 현재위치에 대한 위도(lat1)와 경도(lon2)를 구면좌표계의 원점이라 가정하고, 목적지의 위도(lat2)와 경도(lon2)를 연산하는 제 2 과정과; 상기 제 2 과정에서 얻어진 위도(lat2)와 경도(lon2)를 위성항법 시스템의 통신프로토콜에 입력하여 GGA 위치좌표로 표시하는 제 3 과정; 으로 구성하여, 선박의 동특성 결과인 직교좌표를 이용하여 선박의 현재 위치 및 목적지를 실제 지구환경에 대응시켜 표시할 수 있는 GGA(Global positioning system fix data) 위치좌표로 표시함에 따라 선박의 움직임 위치에 대한 실제 지구환경(바람, 조류, 파도 등)을 고려하여 보다 안정적으로 선박을 조정할 수 있도록 한 직교좌표를 위성항법시스템의 위치좌표로 변환하는 방법에 관한 것이다.

선박 직교좌표, 위성항법 시스템, 통신 프로토콜, 구면좌표, 위도, 경도,

Description

직교좌표를 위성항법 시스템의 위치좌표로 변환하는 방법{Converting method}

도 1 은 선박의 동특성 결과를 표시하는 직교좌표를 보인 도면.

도 2 는 지구의 출발점에서 도착점을 위도와 경도 및 거리로 표시한 도면.

도 3 은 도 2 의 출발점과 도착점을 구면좌표로 변환하는 과정을 보인 도면.

도 4 는 도 2 의 출발점과 도착점으로 구면좌표로 표시한 도면.

도 5 는 연산에 의해 얻어진 도착점의 위도와 경도 정보를 입력하여 GGA 위치좌표로 표시하기 위한 위성항법 시스템의 통신프로토콜을 보인 도면.

본 발명은 선박 직교좌표를 위성항법시스템의 통신프로토콜 위치좌표로 변환하는 방법에 관한 것으로서, 특히 선박의 동특성 결과인 직교좌표를 이용하여 선박의 현재 위치 및 목적지를 실제 지구환경에 대응시켜 표시할 수 있는 GGA(Global positioning system fix data) 위치좌표로 표시함에 따라 선박의 움직임 위치에 대한 실제 지구환경(바람, 조류, 파도 등)을 고려하여 보다 안정적으로 선박을 조정할 수 있도록 한 직교좌표를 위성항법시스템의 위치좌표로 변환하는 방법에 관한 것이다.

현재 IMO(국제 해사 기구, International Maritime Organization)의 선박 조종성능에 관한 기준(Resolution MSC 137)이 지난 2004년 1월 부로 발효되고, 최근 환경에 대한 관심이 지속적으로 증가하는 것과 더불어 항해 안정성, 특히 해난사고에 기인한 해양오염 방지에 관한 관심이 증가함에 따라 초기 설계단계에서부터 선박의 조종성능을 정확히 추정하는 것이 매우 중요하게 되었다.

또한, IMO에서는 항해 안전성을 보다 강화하기 위한 방법으로 Resolution A. 601에 따라 조종 지침서(maneuvering booklet) 등의 조종성 관련 정보를 선원들에게 제공, 선박에 비치하도록 권고하고 있다.

이러한 기준들은 선박의 운항 안정성을 설계자 혹은 건조자 측의 입장에서 확보하기 위한 것으로, 선체 자신이 충분한 성능을 가지도록 하는 것을 고려한 것이기 때문에 단순히 항해하는 선박 고유의 운동특성으로서의 조종성능에 그 관심이 집중되어 있고 바람(Wind) 영향을 제외한 외부 환경의 영향이 거의 배제되어 있다.

따라서, 이러한 규정들이 심수역 및 정수(Steel water) 중에서의 환경조건을 전제하고 있으나, 실제의 운항에 있어서는 항만이나 운하 등의 천수역이나 협수로 등 이른바 제한수역이나 바람, 조류, 파도 등의 외란(外亂) 하에서의 운항이 오히려 더 가혹한 조건이며, 이때의 조종성능이 매우 중요하다는 것을 유추하기는 어렵지 않다.

이에, 이미 많은 국 내외의 기관에서는 선박 자체의 성능 뿐 아니라 외부 환경의 영향을 고려하여 보다 정확한 조종성능 추정을 위한 연구가 활발히 진행하고 있는 실정이다.

특히 운항 시뮬레이션, 항해사 교육 등 여러분야에서 활용되고 있는 선박조종 시뮬레이터를 개발하고 활용하기 위한 연구에 대한 결과가 여러 학회 및 학술지를 통해 발표되고 있다.

일반적으로 선박의 운행에 따른 현재위치는 직교좌표로 표시된다.

그러나, 직교좌표는 현재위치만을 표시하는 것이기 때문에 현재위치에 대응하는 지구 환경을 운항정보에 접목시킬 수 없게 되어 보다 안정적인 운항을 계획할 수 없게 되는 문제점이 발생하고 있었다.

따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 선박의 동특성 결과인 직교좌표(A,B)로 부터 원점에서의 거리와 방위각을 구하는 제 1 과정과; 현재위치에 대한 위도(lat1)와 경도(lon2)를 구면좌표계의 원점이라 가정하고, 목적지의 위도(lat2)와 경도(lon2)를 연산하는 제 2 과정과; 상기 제 2 과정에서 얻어진 위도(lat2)와 경도(lon2)를 위성항법 시스템의 통신프로토콜에 입력하여 GGA 위치좌표로 표시하는 제 3 과정; 으로 구성하여, 선박의 동특성 결과인 직교좌표를 이용하여 선박의 현재 위치 및 목적지를 실제 지구환경에 대응시켜 표시할 수 있는 GGA(Global positioning system fix data) 위치좌표로 표시함에 따라 선박의 움직임 위치에 대한 실제 지구환경(바람, 조류, 파도 등)을 고려하여 보다 안정적으로 선박을 조정할 수 있도록 한 직교좌표를 위성항법시스템의 위치좌표로 변환하는 방법을 제공함을 목적으로 한다.

이하, 첨부된 도면 도 1 내지 도 5 를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

상기 도면에 의한 본 발명은 직교좌표를 위성항법시스템의 통신프로토콜 위치좌표로 변환하는 방법에 있어서, 선박의 동특성 결과인 직교좌표(A,B)로 부터 원점에서의 거리와 방위각을 구하는 제 1 과정; 현재위치에 대한 위도(lat1)와 경도(lon2)를 구면좌표계의 원점이라 가정하고, 목적지의 위도(lat2)와 경도(lon2)를 식(11)(12)에 의해 연산하는 제 2 과정; 상기 제 2 과정에서 얻어진 위도(lat2)와 경도(lon2)를 위성항법 시스템의 통신프로토콜에 입력하여 GGA 위치좌표로 표시하는 제 3 과정; 으로 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 직교좌표를 위성항법시스템의 통신프로토콜 위치좌표로 변환하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

선박이 운항하게 되면, 그 선박의 동특성 정보 즉, 위치는 도 1 과 같은 직교좌표에 표시된다.

선박을 좌표 X축으로 A만큼, Y축으로 B만큼 이동한 것을 도 1 과같이 직교좌표에 표현한다.

원점에서 1사분면에 위치한 (A,B)점의 원점에서 거리와 방위각을 구하면(원점에서 출발하여 (A,B)로 이동한 거리),

식 (1) --- 원점에서의 거리(distance) =

과 같이 표현할 수 있고,

라디안(Radian) 을 도(Degree)로 변환하는 RAtoDE를 57.2957795129 로 정하여 직교좌표에서 선박의 현재 위치에 대한 방위각(azimuth)를 아래의 식 2 와 같이 구할 수 있다.

식 (2) --- 방위각 a1 = 90.0 - RAtoDE*arctan(B/A)

그리고, 직교좌표에서 2,3,4 분면의 직교좌표에 위치할 경우에도 위와 같이 거리와 방위각을 구할 수 있다.

한편, 지구의 임의의 출발점(A)과 도착점(B)을 위도(lat1)와 경도(lon1) 및 위도(lar2)와 경도(lon2)와 거리(b)로서 지구의에 표시하면 도 2 와 같이 표현할 수 있다.

이러한 도 2 의 출발점(A)과 도착점(B)을 구면좌표계에 표시하게 되면, 도 3 의 작도과정을 거쳐 도 4 와 같이 표현할 수 있게 된다.

출발점(A)에 대한 위도(lat1)와 경도(lon1) 및 거리(b)와 방위각(azimuth)을 안다면 도착점(B)의 위도(lat2)와 경도(lon2)를 연산할 수 있으며, 그 연산과정을 설명하면 다음과 같다.

Cosine 법칙(구면)은 아래와 같이 정의된다.

cos(b) = cos(a)*cos(c) + sin(a)*sin(c)*cos(B)

cos(a) = cos(b)*cos(c) + sin(b)*sin(c)*cos(A)

cos(c) = cos(a)*cos(b) + sin(a)*sin(b)*cos(C)

그리고, Sines 법칙(구면)은 아래와 같이 정의된다.

sin(B)/sin(b) = sin(A)/sin(a) = sin(C)/sin(c)

원호길이(구면)은 아래와 같이 정의된다.

원호길이 = 지구반경(Earth Radius)*중심각(라디안)

즉, 상기와 같은 주어진 공식을 이용하여 출발점(A)에 대한 위도(lat1)와 경도(lon1) 및 진행거리(distance) 및 방위각(azimuth)을 알면 도착지(B)의 위도(lat2)와 경도(lon2)를 연산할 수 있는 것이다.

더욱 자세하게는, 수식(1)로부터 진행거리(distance)를 연산하고, 수식(2)로부터 방위각(azimuth)를 연산하며, 원점을 주어진 출발점(A)의 위도(lat1)와 경도(lon1)라고 가정하면 상기 식을 이용하여 도착점(B)의 위도(lat2)와 경도(lon2)를 구할 수 있게 되는 것이며, 그 연산과정을 아래에 자세히 설명한다.

WGS84 좌표계 지구반경(Earth Radius)은 6378137로 정의되고 단위는 Km 이다.

도(Degree)를 라디안(Radian)으로 변환하는 DEtoRA를 0.01745329252이고, 라디안(Radian)을 도(Degree)로 변환하는 RAtoDE를 57.2957795129로 정한다.

원의 지름 길이에 대한 원주 길이의 비(π)를 4.14159265368979323846로 정한다.

길이 = 반경*중심각(라디안)에 의하여 아래의 수식 3 과 같이 나타낼 수 있다.

수식 (3) -- b = distance/Earth Radius

수식 (4) -- sinb = sin(b)

수식 (5) -- cosb = cos(b)

수식 (6) -- sinc = sin(DEtoRA * (90.0-lat1))

수식 (7) -- cosc = cos(DEtoRA * (90.0-lat1)

수식 (8) -- azrad = DEtoRA * azimuth

Cosines 법칙(구면) - cos(b) = cos(a)*cos(c) + sin(a)*sin(c)*cos(B)- 에 의하여

수식 (9) -- a = arcos(cosb * cosc + sinc*sinb*cos(azrad))

를 얻을 수 있다.

또한, Sines 법칙(구면) - sin(B)/sin(b) = sin(A)/sin(a) = sin(C)/sin(c) - 에 의하여,

수식 (10) -- B = arcsin(sin(b)*sin(azimuth)/sin(a)

수식 (11) -- lat2 = RAtoDE * ( (π/2.0)-a)

수식 (12) -- lon2 = B + lon1

와 같이 수식(11), 수식(12)를 이용하여 도착지(B)의 위도(lat2)와 경도(lon2)를 연산할 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 수식(11)과 수식(12)을 이용하여 연산한 도착지(B)의 위도(lat2)와 경도(lon2)를 IEC61162의 정보로 변환한다.

항해장비인 GPS(Global Positioning System)의 장비 데이터 정보인 GGA로 변환된 데이타를 이용하여 실제 선박의 위치를 직교좌표에서 구면좌표로 표시하는 것이며, 이때 위도와 경도를 표시한다.

도 5 는 GGA 통신프로토콜을 나타내는 것으로서, 상기 GGA 통신프로토콜에 앞선 수식으로부터 연산된 도착지(B)의 위도(lat2)와 경도(lon2)를 입력하는데,

No.2에는 위도(lat2)를 입력하고, No.3의 방향을 결정하기 위하여 위도(lat2)가 양수 값이면 'N'문자를 입력하고, 음수 값이면 'S'의 문자를 입력한다.

또한, No.4에는 경도(lon2)를 입력하고 No.5의 방향을 결정하기 위하여 경도(lon2)가 양수 값이면 'E'의 문자를 입력하고, 음수 값이면 'W'의 문자를 입력하여 표시한다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 선박의 동특성 결과인 직교좌표를 이용하여 선박의 현재 위치 및 목적지를 실제 지구환경에 대응시켜 표시할 수 있는 GGA(Global positioning system fix data) 위치좌표로 표시함에 따라 선박의 움직임 위치에 대한 실제 지구환경(바람, 조류, 파도 등)을 고려하여 보다 안정적으로 선박을 조정할 수 있도록 한 직교좌표를 위성항법시스템의 위치좌표로 변환하는 방법을 제공하는 효과를 기대할 수 있다.

Claims

직교좌표를 위성항법시스템의 통신프로토콜 위치좌표로 변환하는 방법에 있어서,

선박의 동특성 결과인 직교좌표로 부터 원점에서의 거리와 방위각을 구하는 제 1 과정;

현재위치에 대한 위도와 경도를 구면좌표계의 원점이라 가정하고, 목적지의 위도와 경도를 lat2 = RAtoDE*((π/2.0)-a)와 lon2=B+lon1의 수학식을 이용하여 연산하는 제 2 과정;

상기 제 2 과정에서 얻어진 위도와 경도를 위성항법 시스템의 통신프로토콜에 입력하여 GGA 위치좌표로 표시하는 제 3 과정; 으로 구성한 것을 특징으로 하는 직교좌표를 위성항법시스템의 위치좌표로 변환하는 방법.