KR20100104976A - 다중 ｇｎｓｓ가 결합된 토탈 스테이션 및 이를 이용한 3차원 지구 좌표계 출력방법 - Google Patents

다중 ｇｎｓｓ가 결합된 토탈 스테이션 및 이를 이용한 3차원 지구 좌표계 출력방법 Download PDF

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KR20100104976A
KR20100104976A KR1020090023742A KR20090023742A KR20100104976A KR 20100104976 A KR20100104976 A KR 20100104976A KR 1020090023742 A KR1020090023742 A KR 1020090023742A KR 20090023742 A KR20090023742 A KR 20090023742A KR 20100104976 A KR20100104976 A KR 20100104976A
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gnss antenna
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김동회
김수현
이강범
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(주)케이엔에스텍
김동회
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Abstract

본 발명은 3개의 GNSS 안테나를 이용하여 삼각대와 토탈 스테이션을 포함하는 전체 시스템의 자세를 구하고, 이를 통해 계산된 3차원 지구 좌표를 기준축으로 좌표의 오프셋(offset)을 산출하고, 이어서 토탈 스테이션의 팬과 틸트의 각도와 거리의 값과 함께 계산하여 토탈 스테이션의 측정포인트를 실시간으로 지구 좌표계로 나타낼 수 있는 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션 및 이를 이용한 3차원 지구 좌표계 출력방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
다중 GNSS 안테나, 토탈 스테이션, 3차원 지구 좌표계

Description

다중 ＧＮＳＳ가 결합된 토탈 스테이션 및 이를 이용한 3차원 지구 좌표계 출력방법{THE APPARATUS AND METHOD OF TOTAL STATION WITH THREE GNSS ANTENA}
본 발명은 3개의 GNSS 안테나를 이용하여 삼각대와 토탈 스테이션을 포함하는 전체 시스템의 자세를 구하고, 이를 통해 계산된 3차원 지구 좌표를 기준축으로 좌표의 오프셋(offset)을 산출하고, 이어서 토탈 스테이션의 팬과 틸트의 각도와 거리의 값과 함께 계산하여 토탈 스테이션의 측정포인트를 실시간으로 지구 좌표계로 나타낼 수 있는 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션 및 이를 이용한 3차원 지구 좌표계 출력방법에 관한 것이다.
현재 토목 및 건축 공사 현장에서의 측량은 레이저를 이용한 거리 측정이 가능한 광파측정기인 토탈 스테이션과 GNSS를 이용하여 목표 지점의 좌표를 측정하는 기술이 널리 이용되고 있다.
이들의 측정 방법은 각각의 장점 및 단점을 가지고 있어서 측지 및 측량 부분에서는 둘을 적절히 혼용하여 사용하고 있다.
GNSS의 경우 한번의 측량으로 3차원 지구 좌표계를 얻을 수 있으며 시간에 따라 서로 독립적인 오차 원일을 가지고 있다는 장점이 있지만 4개 이상의 GNSS위성을 확보해야 하고 DOP와 멀티패스를 줄이기 위해 안테나 설치를 중심으로 높은 구조물이나 나무등이 없어야 한다.
따라서 개활지의 측량에서는 높은 성능을 나타내는 반면 건출 노목 현장에서는 건물의 최상위 부분이 아닌 측면이나 건축물 등의 주변에 측정 포인트를 다시 잡아야 하는 경우 이미 세워진 건물물 등에 의해 GNSS를 이용한 측량에 한계가 있다.
토탈 스테이션의 경우 레이저를 이용한 거리 측정을 통해 목표의 로컬 좌표를 계산 한다. GNSS를 이용한 측정에 비해 빠른 시간에 할 수 있으며 설치된 지점과 목표와의 거리만 확보된다면 주위에 환경에 대한 영향을 덜 받는 장점을 가지고 있다.
하지만 로컬 좌표의 측정을 위해 최소 3지점에서 목표점에 대한 측정을 해야 한다.
이는 각 토탈 스테이션의 측정값들이 시각에 대해 동기화 되지 못함을 뜻하며 시간에 따른 외란이 틀리게 되어 측량의 정확도를 저해하는 요소가 된다.
또한, 공사의 진행에 따라 CP(contol point)와 목표 지점의 시야가 확보되지 못하거나 다른 목표와의 거리가 너무 멀어지는 이유로 다른 CP점이 필요하게 될 경우 CP점을 잡지 못할 수도 있으며 구했다 하더라도 오차가 내포된 cp점은 전체 측량에 있어서 매우 부정확한 측정결과를 출력하게 되는 단점이 있다.
이러한 단점은 에러의 누적효과를 가져오게 되어 설계에 대한 시공측량에 가장 큰 문제점중 하나로 부각되고 있다.
이렇게 두 시스템의 장점과 단점은 매우 분명한 영역이 있기에 현재의 토탈 스테이션의 경우 GNSS와 결합한 제품이 나오고 있지만 이는 CP점을 미리 구하지 못한 상태에서 현재 측량의 CP점을 GNSS로부터 구하기 위함이기 때문에 토탈 스테이션의 측량 이후 현재의 측정점의 위치를 별도로 구해서 반영해도 되는 1차원적인 결합이다.
따라서, GNSS의 데이터가 토탈 스테이션의 결과에 반영되어 출력되게 되며 3개의 GNSS의 데이터와 토탈 스테이션의 데이터를 결합하여 단 한번의 토탈 스테이션의 출력을 3차원 지구 좌표계로 출력가능하게 하는 토탈 스테이션을 개발하는 것이 시급하다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 단 한번의 측정으로 측정점의 3차원 지구좌표계를 보여줄 수 있는 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션 및 이를 이용한 3차원 지구 좌표계 출력방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테 이션은
지표면에 고정된 기기 자체의 자세를 구하기 위해 다수의 위성으로부터 고정된 기기 자체에 대한 한개의 기준점(Point) 데이터와, 두개의 방향(Heading) 데이터를 3개의 GNSS 안테나를 통해 각각 수신받는 다중 GNSS(Global navigation satellite system) 안테나부와,
그 다중 GNSS 안테나 하단에 위치되어, 다중 GNSS 안테나들 간의 간격을 일정한 각도로 유지하면서, 외압에 흔들리지 않도록 고정시키는 안테나 지지대와,
그 안테나 지지대 하단에 위치되어, 특정 사물에 대한 거리측정값과, 팬(Fans)과 틸트(Tilt)를 하면서 측정한 사물의 움직임에 대한 각도값을 이용해 물리적 벡터를 계산하고, 그 계산된 물리적 벡터와 GNSS 수신기로부터 전송된 지구 좌표계(경도,위도 및 높이)와의 벡터를 이용하여 측정점을 3차원 지구 좌표계로 계산하여 화면상에 출력시키는 토탈 스테이션(30)과,
그 토탈 스테이션(30)의 하단에 위치되어, 다중 GNSS 안테나로 수신된, 고정된 기기 자체에 대한 한개의 기준점(Point) 데이터와, 두개의 방향(Heading) 데이터를 이용하여 측정점의 위치좌표(경도,위도 및 높이)를 산출하여 저장하고, 토탈 스테이션으로 전송시키는 GNSS 수신기와,
그 GNSS 수신기의 하단에 위치되어, 상기 다중 GNSS 안테나부, 토탈 스테이션, GNSS 수신기의 좌우 수평도를 안정하게 유지시키는 정준대와,
그 정준대 하단에 위치되어, 각 기기를 지표면에 고정시켜 흔들리지 않게 지지해 주는 삼각대로 구성됨으로서 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 단 한번의 측정을 통해 지구 좌표계의 3차원 측정좌표를 얻을 수 있어, 실시간으로 계산할 수 있고, 이로 인해 시간에 따른 날씨의 변화등의 오차, 토털 스테이션 장비의 거리 측정 오차를 줄일 수 있고, 연약 지반이나 측정점의 위치 확보가 어려운 지점의 경우 위치를 옮겨서 또 다른 측정 포인트를 잡는 과정이 간소화할 수 있는 좋은 효과가 있다.
먼저, 본 발명에 설명되는 팬은 화면에 파노라마적인 효과를 내기 위해 카메라를 좌우로 움직이며 하는 촬영하는 것을 말한다.
틸트는 카메라가 상하로 기울어져 촬영하는 것을 말한다.
이처럼, 본 발명에 따른 토탈 스테이션(30)에 팬과 틸트 기능을 사용하는 이유는 영상들을 프레임 안에 유지시켜 선명하게 영상화하기 위함이다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션의 사시도에 관한 것으로, 이는 GNSS의 데이터가 토탈 스테이션의 결과에 반영되어 출력되게 되며, 3개의 GNSS의 데이터와 토탈 스테이션의 데이터를 결합하여 단 한번의 토탈 스테이션의 출력을 3차원 지구 좌표계로 출력한다.
본 발명에 따른 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션은 다중 GNSS 안테나부(10), 안테나 지지대(20), 토탈 스테이션(30), GNSS 수신기(40), 정준대(50), 삼각대(60)로 구성된다.
상기 다중 GNSS 안테나부(10)는 지표면에 고정된 기기 자체의 자세를 구하기 위해 다수의 위성으로부터 고정된 기기 자체에 대한 한개의 기준점(Point) 데이터와, 두개의 방향(Heading) 데이터를 3개의 GNSS 안테나를 통해 각각 수신받는 곳으로, 이는 제1 GNSS 안테나, 제2 GNSS 안테나, 제3 GNSS 안테나로 구성된다.
본 발명에 따른 다중 GNSS 안테나(10)는 외형적 중심과 페이즈 센터가 일치하도록 설치되고, 이는 GNSS로 구하는 위치의 측정점이 된다.
그리고, 제1 GNSS 안테나, 제2 GNSS 안테나, 제3 GNSS 안테나는 안테나 지지대에 지지되고, 제1 GNSS 안테나와 제2 GNSS 안테나 사이 각도, 제2 GNSS 안테나와 제3 GNSS 안테나 사이 각도, 제1 GNSS 안테나와 제3 GNSS 안테나 사이 각도는 90°~120°로 결합된다. 특히, 90°로 결합되는 것이 가장 바람직하다.
본 발명에서는 도 2 및 도 3에서 도시한 바와 같이, 제1 GNSS 안테나를 기준으로 제2 GNSS 안테나는 2차원 좌표의 X축과 동일선상에 위치하고, 제3 GNSS 안테나는 2차원 좌표의 Y축과 동일선상에 위치하여, 제2 GNSS 안테나와 제3 GNSS 안테나 사이의 각도가 90°의 각도로 위치하게 된다.
여기서, 제2 GNSS 안테나와 제3 GNSS 안테나 사이의 각도가 90°의 각도로 위치하게 되는 이유는 제2 GNSS 안테나가 2차원 좌표의 X축과 동일선상에 위치하 고, 제3 GNSS 안테나가 2차원 좌표의 Y축과 동일선상에 위치하여 현장에서 토탈스테이션을 통해 바로, 2차원 좌표의 X축 방향 데이터를 구하고, 2차원 좌표의 Y축 방향 데이터를 구할 수 있도록 구성하기 위함이다.
그리고, 본 발명에 따른 제1 GNSS 안테나, 제2 GNSS 안테나, 제3 GNSS 안테나는 측정시 각각 3차원 지구 좌표계를 가지도록 구성되고, 이때 지면에서 삼각대와 정준대를 통해 안테나 거치대까지인 각각의 높이데이터를 함께 가지도록 구성된다.
즉, 본 발명에 따른 다중 GNSS 안테나부(10)는 구조적으로 2차원 좌표계로 설계되었으며 각각의 높이 데이터에 의해 3차원 좌표계가 되도록 구성된다.
본 발명에 따른 다중 GNSS 안테나(10)가 3개로 구성되는 이유는 차원의 자세측정 데이터를 위해서는 최소 3개의 GNSS측정값이 필요하기 때문에, 제1 GNSS 안테나는 고정된 기기 자체에 대한 한개의 기준점(Point) 데이터를 구하는 역할을 하고, 제2 GNSS 안테나와 제3 GNSS 안테나는 각각 방향(Heading) 데이터를 구하는 역할을 한다.
여기서, 제2 GNSS 안테나는 제1 GNSS 안테나를 기준으로 2차원 좌표의 X축 방향 데이터를 구하고, 제3 GNSS 안테나는 제1 GNSS 안테나를 기준으로 2차원 좌표의 Y축 방향 데이터를 구한다.
이러한 제1 GNSS 안테나, 제2 GNSS 안테나, 제3 GNSS 안테나를 통한 3개의 GNSS의 값을 이용하여 헤딩(Heading : 방향)과 피치(pitch : 수평선과 이루는 각)와 롤(roll : 수직선과 이루는 각)을 모두 구하여 지표면에 고정된 기기 자체(다중 GNSS를 이용한 3차원 지구 좌표계 출력 토탈 스테이션)의 3차원 자세를 구할 수가 있다.
상기 안테나 지지대(20)는 다중 GNSS 안테나 하단에 위치되어, 다중 GNSS 안테나들 간의 간격을 일정한 각도로 유지하면서, 외압에 흔들리지 않도록 고정시킨다.
이는 3개의 GNSS 안테나를 거치하는데 있어 무게나 바람에 의한 휨또는 떨림 현상이 없도록 안테나 지지대 표면에 3방향 끼움홈(미도시)이 형성되고, 그 3방향 끼움홈에 3개의 GNSS 안테나가 끼워지면, 그 3방향 끼움홈 위로 커버가 끼워지고, 볼트 및 너트를 통해 고정된다.
그리고, 본 발명에 따른 안테나 지지대와 결합되는 토탈 스테이션은 물리적인 영점을 이루도록 결합되어, 토탈 스테이션을 통해 전체 자세로부터 설치시 물리적 자세와의 차이에 대해 계산이 된다.
상기 토탈 스테이션(30)은 안테나 지지대 하단에 위치되어, 특정 사물에 대한 거리측정값과, 팬(Fans)과 틸트(Tilt)를 하면서 측정한 사물의 움직임에 대한 각도값을 이용해 물리적 벡터를 계산하고, 그 계산된 물리적 벡터와 GNSS 수신기로부터 전송된 지구 좌표계(경도,위도 및 높이)와의 벡터를 이용하여 측정점을 3차원 지구 좌표계로 계산하여 화면상에 출력시킨다.
그리고, 본 발명에 따른 토탈 스테이션은 도 4에서 도시한 바와 같이, 물리적 벡터 계산 프로그램부(31)와, 3차원 지구 좌표계 계산 프로그램부(32)가 내장된다.
물리적 벡터 계산 프로그램부(31)는 특정 사물에 대한 거리측정값과, 팬(Fans)과 틸트(Tilt)를 하면서 측정한 사물의 움직임에 대한 각도값을 이용해 물리적 벡터를 계산하는 역할을 한다.
3차원 지구 좌표계 계산 프로그램부(32)는 물리적 벡터 계산 프로그램부로부터 계산된 물리적 벡터와 GNSS 수신기로부터 전송된 지구 좌표계(경도,위도 및 높이)와의 벡터를 이용하여 측정점을 3차원 지구 좌표계로 계산하는 역할을 한다.
이는 GPS 수신기에서 사용하는 WGS84경위도와 사용자가 사용하는 임의의 타원체경위도의 변환하고, 경위도와 직교좌표간의 환산 및 역환산시키며, WGS경위도 및 베셀경위도를 모두 아는 기지점을 이용하여 계산결과를 보정한다.
상기 GNSS 수신기(40)는 토탈 스테이션(30)의 하단에 위치되어, 다중 GNSS 안테나로 수신된, 고정된 기기 자체에 대한 한개의 기준점(Point) 데이터와, 두개의 방향(Heading) 데이터를 이용하여 측정점의 위치좌표(경도,위도 및 높이)를 산출하여 저장하고, 토탈 스테이션으로 전송시킨다.
이는 도 4에서 도시한 바와 같이, 다중 GNSS 안테나로부터 수신된 신호를 처리하여 측정점의 위치좌표를 산출하여 표시하고 저장하는 위치좌표 계산 프로그램 부가 내장되어 있으며, 토탈 스테이션과 유무선으로 연결되어 데이터의 송수신이 이루어진다.
상기 정준대(50)는 GNSS 수신기의 하단에 위치되어, 상기 다중 GNSS 안테나부, 토탈 스테이션, GNSS 수신기의 좌우 수평도를 안정하게 유지시키는 역할을 한다.
이는 도 5에서 도시한 바와 같이, 삼각 형상으로 이루어졌고, 상단 표면에 복수개의 나사홈이 형성되어 토탈 스테이션와 GNSS 수신기 사이에 조립되어 체결된다.
상기 삼각대(60)는 정준대 하단에 위치되어, 각 기기를 지표면에 고정시켜 흔들리지 않게 지지해 주는 역할을 한다.
이하, 본 발명에 따른 다중 GNSS를 이용한 3차원 지구 좌표계 출력 토탈 스테이션를 통한 3차원 지구 좌표계를 계산하는 과정을 설명한다.
먼저, 다중 GNSS(Global navigation satellite system) 안테나부의 제1 GNSS 안테나는 고정된 기기 자체에 대한 한개의 기준점(Point) 데이터를 측정하고, 제2 GNSS 안테나와 제3 GNSS 안테나는 각각 방향(Heading) 데이터를 측정한다.
여기서, 제1 GNSS 안테나를 기준으로 제2 GNSS 안테나는 2차원 좌표의 X축과 동일선상에 위치하고, 제3 GNSS 안테나는 2차원 좌표의 Y축과 동일선상에 위치하여, 제2 GNSS 안테나와 제3 GNSS 안테나 사이의 각도가 90°의 각도로 위치하게 된다.
그리고, 본 발명에 따른 제1 GNSS 안테나, 제2 GNSS 안테나, 제3 GNSS 안테나는 측정시 각각 3차원 지구 좌표계를 생성시키고, 이때 지면에서 삼각대와 정준대를 통해 안테나 거치대까지인 각각의 높이데이터 함께 생성시킨다.
다음으로, 제1 GNSS 안테나, 제2 GNSS 안테나, 제3 GNSS 안테나를 통한 3개의 GNSS 값을 GNSS 수신기에서 수신받고, GNSS 수신기에서는 고정된 기기 자체에 대한 한개의 기준점(Point) 데이터와, 두개의 방향(Heading) 데이터를 이용하여 측정점의 위치좌표(경도,위도 및 높이)를 산출한다.
즉, GNSS 수신기에서는 제1 GNSS 안테나, 제2 GNSS 안테나, 제3 GNSS 안테나를 통한 3개의 GNSS 값을 이용하여 헤딩(Heading : 방향)과 피치(pitch : 수평선과 이루는 각)와 롤(roll : 수직선과 이루는 각)을 모두 구하여 지표면에 고정된 기기 자체의 3차원 자세를 계산한다.
여기서, 지표면에 고정된 기기 자체(다중 GNSS를 이용한 3차원 지구 좌표계 출력 토탈 스테이션)의 3차원 자세를 계산하는 것은 아래에 설명된 전위된 맵핑과정, 회전 맵핑과정을 통해 3개의 GNSS 값을 이용하여 헤딩(Heading : 방향)과 피치(pitch : 수평선과 이루는 각)와 롤(roll : 수직선과 이루는 각)을 모두 구하여 0점을 기준으로 X축 좌표의 벡터값, 0점을 기준으로 Y축 좌표의 벡터값, 0점을 기 준으로 Z축 좌표의 벡터값를 통한 3차원 벡터로 자세를 계산하는 것을 말한다.
이어서, 이렇게 계산된 고정된 기기 자체(다중 GNSS를 이용한 3차원 지구 좌표계 출력 토탈 스테이션)에 대한 3차원 자세는 지구 좌표계와 시스템이 설치된 물리 좌표계의 틀어짐을 계산하는데 사용된다.
여기서, 3차원 자세를 통해 지구 좌표계와 시스템이 설치된 물리 좌표계의 틀어짐을 계산하여, 측정점의 위치좌표(경도,위도 및 높이)를 산출할 수가 있다.
그리고, GNSS 수신기에서 산출된 측정점의 위치좌표(경도,위도 및 높이)는 X축에 대한 회전각도인 롤과, Y축에 대한 회전각도인 피치와, Z축에 대한 회전각도인 요우를 회전 행렬로 계산할 수가 있다.
본 발명에 따른 고정된 기기 자체(다중 GNSS를 이용한 3차원 지구 좌표계 출력 토탈 스테이션)에 대한 3차원 자세를 통해 지구 좌표계와 시스템이 설치된 물리 좌표계의 틀어짐을 계산하는 과정은 다음과 같다.
1. 전위된 맵핑과정
도 7에서 도시한 바와 같이, 벡터
Figure 112009016821326-PAT00001
로 정의된 공간상의 점을 {B}와 동일한 방위를 갖고 있는 계{A}에 관하여 표시하는 경우를 일예로 살펴본다.
{B}는 {A}와 전위(translation)만큼 다르며, 이 전위는 {A}계의 원점에서 {B}의 원점의 위치를 나타내는 벡터인
Figure 112009016821326-PAT00002
로 나타난다.
여기서, 두 벡터는 동일한 방위를 갖고 있는 계에 기준하여 정의되기 때문에 점 P의 {A}에 기준한 표시인 벡터
Figure 112009016821326-PAT00003
는 벡터의 합으로 수학식 1과 같이, 계산할 수 있다.
Figure 112009016821326-PAT00004
2. 회전 맵핑과정
도 8에서 도시한 바와 같이, 회전행렬의 열은 모두 단위 크기이고 또한 이들 단위 벡터들은 서로 직교한다.
직교하고 단위크기의 열을 갖고 있는 행렬의 역 행렬은 전치(Transpose)행렬과 동일하다. 이는 수학식 2와 같이 표현할 수가 있다.
Figure 112009016821326-PAT00005
여기서,
Figure 112009016821326-PAT00006
의 열들은 {A}에 기준한 {B}의 단위 벡터이고,
Figure 112009016821326-PAT00007
의 행들은 {B}에 기준한 {A}의 단위벡터이다.
이때 회전행렬은 세개의 행 벡터 또는 세개의 열 벡터의 조합으로 수학식 3과 같이 표현할 수가 있다.
Figure 112009016821326-PAT00008
이어서, 두 개의 계 원점이 일치할 경우 계{B}에 대하여 벡터의 정의를 알고 있을 때 다른 계{B}에 대한 벡터를 정의한다.
그 계산은 {B}의 방위 표현이 {A}에 관하여 알려졌을 때 가능하다.
벡터
Figure 112009016821326-PAT00009
는 수학식 4와 같이 표현할 수가 있다.
Figure 112009016821326-PAT00010
이처럼, 전위된 맵핑과정과 회전 맵핑과정을 통해 0점을 기준으로 X축 좌표의 벡터값, 0점을 기준으로 Y축 좌표의 벡터값, 0점을 기준으로 Z축 좌표의 벡터값을 통해 3차원 벡터로 자세를 계산할 수가 있다.
3. 회전에 대한 변환 메트릭스 과정
본 발명에 따른 GNSS 수신기에서는 X,Y,Z의 변환의 경우 원점이 고정되어 회전하게 되고 이와 같은 경우 변환 메트릭스는 다음과 같이 계산된다.
도 7에서 도시한 바와 같이, 계{B}의 방위를 표시하는 방법은 알려진 계{A}와 일치하는 계로부터 시작한다.
이어서, 맨 처음 계{B}를
Figure 112009016821326-PAT00011
주위로 각도
Figure 112009016821326-PAT00012
만큼 회전한 후,
Figure 112009016821326-PAT00013
주위로 각도
Figure 112009016821326-PAT00014
만큼 회전하고, 그 후에 주위로 만큼 회전한다.
이때,
Figure 112009016821326-PAT00015
축으로
Figure 112009016821326-PAT00016
만큼 회전한 것을 롤(roll)이라 하고,
Figure 112009016821326-PAT00017
축으로
Figure 112009016821326-PAT00018
만큼 회전한 것을 피치(Pitch)라고 하며,
Figure 112009016821326-PAT00019
축으로
Figure 112009016821326-PAT00020
만큼 회전한 것을 요우(Yaw) 라고 한다.
여기서, 회전의 순서가 롤, 피치,요우 라면 회전 행렬은 수학식 5와 같이 표현할 수가 있다.
Figure 112009016821326-PAT00021
Figure 112009016821326-PAT00022
Figure 112009016821326-PAT00023
이처럼, 본 발명에 따른 GNSS 수신기에서 산출된 측정점의 위치좌표(경도,위도 및 높이)는 X축에 대한 회전각도인 롤과, Y축에 대한 회전각도인 피치와, Z축에 대한 회전각도인 요우를 회전 행렬로 계산할 수가 있다.
다음으로, 토탈스테이션에서 특정 사물에 대한 거리측정값과, 팬(Fans)과 틸트(Tilt)를 하면서 측정한 사물의 움직임에 대한 각도값을 이용해 물리적 벡터를 계산한다.
여기서, 팬은 화면에 파노라마적인 효과를 내기 위해 카메라를 좌우로 움직이며 하는 촬영하는 것을 말하고, 틸트는 카메라가 상하로 기울어져 촬영하는 것을 말한다.
이는 물리적 벡터 계산 프로그램부(31)를 통해 특정 사물에 대한 거리측정값과, 팬(Fans)과 틸트(Tilt)를 하면서 측정한 사물의 움직임에 대한 각도값을 이용해 물리적 벡터를 계산한다.
다음으로, 3차원 지구 좌표계 계산 프로그램부(32)를 통해 1차로 물리적 벡터 계산 프로그램부(31)에서 계산된 물리적 벡터와, GNSS 수신기로부터 전송된 지 구 좌표계(경도,위도 및 높이)와의 벡터를 이용하여 측정점을 3차원 지구 좌표계로 계산한다.
즉, 도 9에서 도시한 바와 같이, 다중 GNSS(Global navigation satellite system) 안테나부(10)에서 측정된 베셀 지심좌표(X',Y',Z')를 매개변수를 통해 WGS-84 지심좌표(X,Y,Z)로 변환시킨다.
여기서, 베셀 지심좌표(X',Y',Z')는 다음과 같은 과정을 통해 얻어진다.
먼저, X축과 Y축의 이동체 고정 좌표계를 3D 헬메트(Helmert) 변환시켜 평면좌표(N',E',H')를 구하고, 이어서 평면좌표(N',E',H')를 UTM 투영법 및 KTM 투영법에 의해 측지좌표(B',L',H')를 구하며, 이어서 측지좌표(B',L',H')를 다툼(Datum)을 적용하여 베셀 지심좌표(X',Y',Z')를 구한다.
상기 베셀 지심좌표(X',Y',Z')를 매개변수를 통해 WGS-84 지심좌표(X,Y,Z)로 변환은 다음의 수학식 6과 같이 표현할 수가 있다.
Figure 112009016821326-PAT00024
Figure 112009016821326-PAT00025
Figure 112009016821326-PAT00026
여기서, N은
Figure 112009016821326-PAT00027
을 말한다.
끝으로, 실시간으로 측정된 값을 토탈스테이션의 모니터상에 출력시킨다.
이는 토탈스테이션의 LCD 모니터상에 출력된다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션의 구성요소 중 다중 GNSS 안테나부를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 다중 GNSS 안테나부의 구성요소인 제1 GNSS 안테나, 제2 GNSS 안테나, 제3 GNSS 안테나의 결합위치와 각도를 도시한 일실시예도,
도 4는 본 발명에 따른 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션의 구성요소 중 토탈 스테이션을 도시한 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션의 구성요소 중 GNSS 수신기를 도시한 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션의 구성요소 중 정준대를 도시한 사시도,
도 7은 좌표계{B)의 벡터
Figure 112009016821326-PAT00028
로 정의된 공간상의 점을 좌표계{B}와 동일한 방위를 갖고 있는 좌표계{A}에 관하여 표시하는 전위된 벡터과정을 도시한 그래프,
도 8은 좌표계{A}에서 좌표계{B}로 회전된 맵핑과정을 도시한 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 3차원 지구 좌표계 계산 프로그램부(32)를 통해 1차로 물리적 벡터 계산 프로그램부(31)에서 계산된 물리적 벡터와, GNSS 수신기로부터 전송된 지구 좌표계(경도,위도 및 높이)와의 벡터를 이용하여 측정점을 3차원 지구 좌표계로 계산하는 과정을 도시한 블럭도,
도 10은 본 발명에 따른 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션을 이용한 3차원 지구 좌표계 출력방법을 도시한 순서도.
※ 도면 부호의 간단한 설명 ※
10 : 다중 GNSS 안테나부 20 : 안테나 지지대
30 : 토탈 스테이션 40 : GNSS 수신기
50 : 정준대 60 : 삼각대

Claims (5)

  1. 지표면에 고정된 기기 자체의 자세를 구하기 위해 다수의 위성으로부터 고정된 기기 자체에 대한 한개의 기준점(Point) 데이터와, 두개의 방향(Heading) 데이터를 3개의 GNSS 안테나를 통해 각각 수신받는 다중 GNSS(Global navigation satellite system) 안테나부(10)와,
    그 다중 GNSS 안테나 하단에 위치되어, 다중 GNSS 안테나들 간의 간격을 일정한 각도로 유지하면서, 외압에 흔들리지 않도록 고정시키는 안테나 지지대(20)와,
    그 안테나 지지대 하단에 위치되어, 특정 사물에 대한 거리측정값과, 팬(Fans)과 틸트(Tilt)를 하면서 측정한 사물의 움직임에 대한 각도값을 이용해 물리적 벡터를 계산하고, 그 계산된 물리적 벡터와 GNSS 수신기로부터 전송된 지구 좌표계(경도,위도 및 높이)와의 벡터를 이용하여 측정점을 3차원 지구 좌표계로 계산하여 화면상에 출력시키는 지능형 토탈 스테이션(30)과,
    그 토탈 스테이션(30)의 하단에 위치되어, 다중 GNSS 안테나로 수신된, 고정된 기기 자체에 대한 한개의 기준점(Point) 데이터와, 두개의 방향(Heading) 데이터를 이용하여 측정점의 위치좌표(경도,위도 및 높이)를 산출하여 저장하고, 토탈 스테이션으로 전송시키는 GNSS 수신기(40)와,
    그 GNSS 수신기의 하단에 위치되어, 상기 다중 GNSS 안테나부, 토탈 스테이션, GNSS 수신기의 좌우 수평도를 안정하게 유지시키는 정준대(50)와,
    그 정준대 하단에 위치되어, 각 기기를 지표면에 고정시켜 흔들리지 않게 지지해 주는 삼각대(60)로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션.
  2. 제1항에 있어서, 다중 GNSS(Global navigation satellite system) 안테나부(10)는 제1 GNSS 안테나, 제2 GNSS 안테나, 제3 GNSS 안테나로 이루어지고, 제1 GNSS 안테나를 기준으로 제2 GNSS 안테나가 2차원 좌표의 X축과 동일선상에 위치하고, 제3 GNSS 안테나가 2차원 좌표의 Y축과 동일선상에 위치하여, 제2 GNSS 안테나와 제3 GNSS 안테나 사이의 각도가 90°의 각도로 위치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션.
  3. 제1항에 있어서, 다중 GNSS(Global navigation satellite system) 안테나부(10)는 제1 GNSS 안테나를 통해 고정된 기기 자체에 대한 한개의 기준점(Point) 데이터를 구하고, 제2 GNSS 안테나를 통해 제1 GNSS 안테나를 기준으로 2차원 좌표의 X축 방향 데이터를 구하며, 제3 GNSS 안테나를 통해 제1 GNSS 안테나를 기준으로 2차원 좌표의 Y축 방향 데이터를 구하는 것을 특징으로 하는 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션.
  4. 제1항에 있어서, 토탈 스테이션은
    특정 사물에 대한 거리측정값과, 팬(Fans)과 틸트(Tilt)를 하면서 측정한 사물의 움직임에 대한 각도값을 이용해 물리적 벡터를 계산하는 물리적 벡터 계산 프로그램부(31)와,
    그 물리적 벡터 계산 프로그램부로부터 계산된 물리적 벡터와 GNSS 수신기로부터 전송된 지구 좌표계(경도,위도 및 높이)와의 벡터를 이용하여 측정점을 3차원 지구 좌표계로 계산하는 3차원 지구 좌표계 계산 프로그램부(32)로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션.
  5. 다중 GNSS(Global navigation satellite system) 안테나부의 제1 GNSS 안테나를 통해 고정된 기기 자체(다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션)에 대한 한개의 기준점(Point) 데이터를 측정하고, 제2 GNSS 안테나와 제3 GNSS 안테나를 통해 각각 방향(Heading) 데이터를 측정하는 단계(S100)와,
    제1 GNSS 안테나, 제2 GNSS 안테나, 제3 GNSS 안테나를 통한 3개의 GNSS 값을 GNSS 수신기에서 수신받고, GNSS 수신기에서 고정된 기기 자체에 대한 한개의 기준점(Point) 데이터와, 두개의 방향(Heading) 데이터를 이용하여 측정점의 위치좌표(경도,위도 및 높이)를 산출하는 단계(S200)와,
    토탈스테이션에서 특정 사물에 대한 거리측정값과, 팬(Fans)과 틸트(Tilt)를 하면서 측정한 사물의 움직임에 대한 각도값을 이용해 물리적 벡터를 계산하는 단계(S300)와,
    3차원 지구 좌표계 계산 프로그램부(32)를 통해 1차로 물리적 벡터 계산 프로그램부(31)에서 계산된 물리적 벡터와, GNSS 수신기로부터 전송된 지구 좌표계(경도,위도 및 높이)와의 벡터를 이용하여 측정점을 3차원 지구 좌표계로 계산하는 단계(S400)와,
    실시간으로 측정된 값을 토탈스테이션의 모니터상에 출력시키는 단계(S500)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 GNSS가 결합된 토탈 스테이션을 이용한 3차원 지구 좌표계 출력방법.
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