KR20120003152A - 태양을 이용한 위치 정보 획득 장치 - Google Patents

Abstract

임의의 한 지점에 대한 위도와 경도 정보를 정확하게 알고 있으면, 임의의 시간에 그 지점에서의 태양의 고도와 방위각 정보를 계산식에 의해서 구할 수 있으다. 본 발명에서는 역으로 임의의 시간에 태양의 고도와 방위각 정보를 이용하여, 그 지점의 위도와 경도 정보를 구하고자 하였다.
본 발명은 태양의 고도 및 방위각 산출 계산식과, 3축 MEMS 가속도계, 태양전지, 전자시계를 이용하여 GPS 정보를 얻을 수 없는 상태 또는 지역에서도 그 지점의 위치를 얻을 수 있도록 하였으며, 임의의 지점 및 임의의 시간에 태양 고도 경도를 자동으로 측정하고, 상기 값과 시간을 가지고 산출 계산식의 역 과정을 거쳐 그 지점의 위도 및 경도 정보를 얻을 수 있도록 하였다. 일반적으로 태양 위치 산출식의 오차율을 +,- 0.01도 정도이나 최근에 보완된 계산식에 의하면 +.- 0.00003도 정도의 오차율을 가진다. 위도 1도에 대한 오차가 110Km를 감안하면, +.- 0.00003도의 위도 오차는 +,- 33m 정도의 오차율을 가질 것이다. 이는 GPS 오차가 +,- 15m 인 점을 감안하면, GPS 정보를 얻을 수 없는 상황에서는 위치 정보를 얻는 또 하나의 좋은 대안이 될 수 있을 것이다.

Description

태양을 이용한 위치 정보 획득 장치 {LOCATION INFORMATION AQUISITION APPARATUS USING OF POSITION OF THE SUN}

본 발명은, 한 지점에서의 태양의 위치 정보를 이용하여, 그 지점의 위치를 알아내는 기술에 대한 것이다.

한 지점에 대한 위치 정보는 GPS 수신기를 통하여 얻을 수 있다. GPS 수신기에 의한 위치 정보는, 3개 이상의 GPS 위성이 보내주는 데이터를 이용하여 얻는다. 그러나 GPS 정보는, GPS 수신기가 없거나, GPS 신호 수신이 잘 안되는 지역에 있거나, GPS 위성 소유자가 GPS 정보 수신을 허용하지 않게 하는 등의 여러 가지 요인에 의하여, GPS 정보를 얻을 수 없는 상황이 될 수가 있다.

위치 정보는, 기지국이나 중계기에서 핸드폰이나 PDA 등의 단말기에 관련 정보를 보내주어, 얻을 수도 있는데, 이 경우에도 통신 링크가 연결된 상태에서만 가능하다.

상기 방법들은, 전쟁이나, 조난, 천재지변 등으로 인해, GPS 수신 및 통신이 불가능한 상태에서는 위치정보를 얻을 수가 없다.

본 발명에서는 GPS 정보를 얻을 수 없는 상태에서, 한 지점의 위치 정보를 비교적 정확하게 얻고자 하며, 한 지점의 위치 정보를 얻는 수단으로 태양의 위치 정보를 이용하고자 한다.

따라서 본 발명에서는, 태양의 위치 정보를 정밀하게 얻는 방법과, 태양의 위치 정보를 이용하여, 그 지점의 위치 정보를 도출하는 방법을 찾고자 한다.

추가적으로, 한 지점에 대한 위치정보 외에 진북 정보를 얻고자 한다.

태양의 위치정보를 통하여 한 지점의 위치를 알아내기 위하여, 기존의 태양 위치 계산식의 역계산을 하는 방법을 택하였다. 태양 위치 계산식의 역계산을 통하여 한 지점의 위치 정보를 얻기 위해서는, 그 시점의 정확한 표준 시각 정보와, 정확한 태양의 고도 및 방위각 정보가 필요하다.

표준 시간 정보를 얻기 위해서는, GMT 표준시간 및 년월일 정보를 제공하는 전자시계를 내장하였다.

태양의 고도 및 방위각 정보를 얻기 위해서는, 태양전지 어레이와 어레이 중간에 설치된 폴을 이용하였다. 햇빛이 들면 폴의 그림자가 태양전지의 일부분을 가리게 되고, 그림자가 지지 않은 태양전지셀과, 그림자가 폴로 가려진 태양전지셀의 출력 전압이 차이가 나게 되며, 이때 해당 태양 전지 셀의 위치를 검출하면, 태양과 측정 장치간의 기울기가 구해진다. 또한 3축 MEMS 각속도 센서를 이용하여 측정 장치의 자세 정보를 얻도록 하였다.

상기 태양과의 기울기와 자세 정보 및 표준시각 정보를 이용하면, 태양의 위치 정보를 정확하게 계산할 수 있다.

추가적으로 진북정보를 얻기 위하여, 상기 태양 위치 계산 역계산 결과로 얻은 한 지점에 대한 위치정보와, 자세 감지부로 부터 얻은 자세 정보를 이용하였다.

본 발명은 여러가지 요인에 의하여 GPS 정보를 얻을 수 없는 상황에서, 그 지점의 위치 정보 및 전자 나침반 역할을 할 수 있는 방향 정보를 비교적 정확하게 얻을 수 있도록 하여, 재난, 전쟁, 난파, 추락 등으로 인하여 길을 잃었을 때 태양빛만 존재한다면 현 위치 및 방향을 제공하는 중요한 역할을 할 것으로 사료된다.

일반적으로 태양 위치 산출식의 오차율을 +,- 0.01도 정도이나 최근에 보완된 계산식에 의하면 +.- 0.00003도 정도의 오차율을 가진다. 위도 1도에 대한 오차가 110Km 정도임을 감안하면, +.- 0.00003도의 위도 오차로 구현된다면, +,- 33m 정도의 오차율로 위치 파악이 가능하다. 이는 GPS 오차가 +,- 15m 인 점을 감안하면, GPS 정보를 얻을 수 없는 상황에서는, 위치 정보를 얻는 좋은 대안이 될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 태양을 이용한 위치 정보 획득 장치의 구성도이다.
도 2는 태양전지로 부터 태양의 위치 정보를 얻기 위한, 솔라셀어레이 및 폴을 나타낸 그림이다.

임의의 한 지점에 대한 위도와 경도 정보를 정확하게 알고 있으면, 임의의 시간에 한 지점에서의 태양의 고도각과 방위각 값을 계산식(수학식 1 ~ 12)에 의해서 구할 수 있다. 좀더 상세하게 설명하면, 수학식 1은 태양의 고도각을 계산하는 식으로, el은 고도각을 의미하며, 수학식 2는 태양의 방위각을 계산하는 식으로, az는 방위각을 의미하며, 수학식 12에서 입력 변수 Jd는 율리우스 일을 의미한다. 따라서 현재 지방시를 표준 율리우스 일로 계산하고, 현 위치의 위도와 경도를 대입하여, 수학식 1 부터 수학식 12까지 계산하면 현재 태양의 고도각과 방위각을 얻는 것이다.

역으로 임의의 시간에 태양의 고도와 방위각 정보를 정확하게 알고 있으면, 그 지점의 위도와 경도 정보 즉 그 지점의 위치를 알 수 있다. 본 발명은 태양 고도각과 방위각 산출 계산식과, 3축 MEMS 각속도 센서, 태양전지, 전자시계를 이용하여 GPS 정보를 얻을 수 없는 상태 또는 지역에서도, 그 위치정보를 얻을 수 있도록 한 방법 및 장치에 대한 것으로, 본 장치는 임의의 지점 및 임의의 시간에 태양 고도각 방위각을 자동으로 측정하고, 상기 값과, 시간을 가지고 태양위치 산출계산식의 역 과정을 거쳐, 그 지점의 위도 및 경도 정보를 얻을 수 있도록 한다. 일반적으로 태양 위치 산출식의 오차율을 +,- 0.01도 정도이며, 본 발명에서 예를 든 수학식도 상기 오차율을 가지나, 최근에 보완된 계산식에 의하면 +.- 0.00003도 정도의 오차율을 가진다. 위도 1도에 대한 오차가 110Km를 감안할 때, +.- 0.00003도의 위도 오차율을 갖는다면, +,- 33m 정도의 오차율로 위치 파악이 가능하게 한다. 이는 GPS 오차가 +,- 15m 인 점을 감안하면, GPS 정보를 얻을 수 없는 상황에서는 위치 정보를 얻는 좋은 대안이 될 수 있다.

태양 위치 계산식의 역 과정을 통하여 한 지점의 위치를 알고자 할 때 필요한 정보는, 그 시점에서의 날짜와 시간 정보, 정확한 태양의 고도 및 방위각 정보 외에에도, 측정장치를 태양과 정확하게 방향을 일치시키거나, 아니면 기준을 삼을 수 있는 자세에 대한 정보가 필요하다.

본 발명에서는 상기 정보들을 소형 저가로 얻을 수 있는 장치를 다음과 같이 구현하였다. 그 구성도는 도 1과 같으며, 자세감지부(101), 태양감지부(102), 연산부(103), 전원부(104), 디스플레이(105), 표준시간제공부(106)로 구성된다.

자세감지부(101)에서는 본 발명 장치의 자세 정보를 추출하는 역할을 담당하며, 자세 감지를 위한 센서로 3축 MEMS 각속도 센서를 사용하였다. 보다 정밀한 자세 정보를 얻기 위해서는 기계적인 자이로스코프를 이용할 수도 있으나, 소형 경량화 및 저가 구현을 위해, MEMS 각속도 센서를 택하였다. 그러나 만일 차량 및 항공기 등 큰 운송장비에서 좀더 정밀한 위치 정보를 얻기 위해서는, 기계적 자이로스코프를 이용하는 것이 바람직하다.

상기 자세 정보를 얻고자 함은, 태양을 향한 기계적인 포인팅 장치 없이, 본 장치의 자세 정보와 태양 빛에 해당되는 그림자 정보만을 가지고, 태양의 위치를 정확하게 얻기 위함이다. 즉 본 발명에서는 본 장치를 태양에 직접 정열하지 않고도 태양의 위치를 정확하게 얻는 방법을 제시한 것으로, 사용자가 본 장치를 적당하게 태양을 향하게 놓아두면, 본 장치가 자기 자세와 태양의 그림자 정보를 가지고 태양과의 기울어진 각도를 추출하도록 하기 위함이다. 상기 과정은 자세감지부가 항상 기준 자세 정보를 유지할 경우에 가능하다. 만일 자세감지부가 기준 자세 정보를 잃어버렸을 경우에는, 본 장치를 태양에 포인팅하여 기준 자세를 얻을 수도 있다.

태양감지부(102)의 구체적인 구성도는 도 2와 같으며, 태양감지부(102)는 솔라셀어레이(201)와 폴(202,203,204,205)로 구성된다. 본 발명에서의 솔라셀어레이(201)는, 태양 빛에 의하여 전기를 발생시키는 역할과, 폴의 그림자에 인한 상대적 전압 강하를 감지하는 역할을 이중으로 수행하도록 하여, 모든 솔라셀은 각각 개별적 회로를 구성하도록 하였다. 솔라셀어레이(201)를 통하여 얻어진 전기는 전원부(104)로 보내져 충전되며, 또한 솔라셀어레이(201)를 통하여 얻은 그림자 위치 정보는 연산부(103)에 보내진다. 태양의 위치 값은 본 장치의 기울어짐에 따라 다를 수 있으므로, 자세감지부(101)에서 보낸 자세정보를 보상하여 보정된 태양의 위치 정보(고도 및 방위각)를 얻는다.

솔라셀어레이(201)는 도 2와 같이 작고 촘촘하게 구성하여, 태양 그림자 정보를 정밀하게 얻을 수 있도록 구성한다. 이때 그림자가 있는 솔라셀은, 정상적으로 태양빛을 받은 솔라셀에 비해, 상대적으로 전압이 낮아서 그 지점의 위치를 반영하면 태양과의 기울기 및 경도를 알 수있다. 폴(202,203,204,205)은 사각형의 네모서리에 둔다. 이는 태양 그림자를 최소의 솔라셀로 추출하기 위한 것이다. 폴을 중앙에 1개만 놓으면 태양 그림자가 길어질 경우에 솔라셀어레의(201)의 영역을 벗어날 수도 있기 때문이다. 네모서리에 두어도 그림자가 솔라셀어레의(201)의 영역을 벗어날 수도 있으나, 중앙에 한개만 두는 경우보다 2배 정도 유리하다. 또한 폴(202,203,204,205)을 사각형의 네모서리에 두기 때문에 4개로 추출한 그림자 정보는 솔라셀 일부가 성능 저하를 일으키더라도 다른 셀 정보들을 이용하여 정확하게 태양 위치를 얻을 수 있도록 해준다.

연산부(103)는 자세감지부(101)에서로 부터 얻은 본 장치의 자세가, 기준자세로 부터 얼마나 기울어져 있나를 알 수 있는 자세 정보와, 솔라셀어레이(201)로 부터 얻은 태양의 그림자가 어느 방향으로 형성되었는지, 또한 그림자 길이는 얼마나 긴가에 대한 태양 위치 관련 정보와, 표준시간제공부(106)로 부터 날짜와 시간에 대한 표준 태양 시각에 대한 정보를 얻어서, 태양 위치 계산식에 대입하고 태양 위치 계산식을 역으로 계산하여 현 지점의 위도와 경도를 계산한다.

상기 계산 방법을 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저 수학식 2에, 자세감지부와 솔라셀어레이로 부터 얻은 태양의 고도각(el)과 방위각(az)을 대입하고, 변수 dec 를 수학식 3으로 부터 얻는다.

수학식 3은 변수 ep 와 변수 l 이 값이 필요하며, 변수 ep 는 수학식 6으로 부터 얻고, 수학식 6의 변수 n 은 수학식 12로 부터 얻는다. 또한 수학식 3에서 변수 l 은, 수학식 7에 의해서 구하고, 수학식 7에서 변수 L은, 수학식 8에 의해서 얻으며, 수학식 8의 변수 n 은 수학식 12에 의해 얻는다. 수학식 7의 변수 g 는, 수학식 9에 의해서 얻으며, 수학식 9에서 변수 n 은, 다시 수학식 12에 의하여 얻는다. 수학식 12의 변수 Jd는 율리우스 일이다. 율리우스 일은 전자시계에서 제공하는 표준 시각을 이용하여 구한다. 율리우스 일을 구하는 수식은 본 발명의 범위와 직접적인 관련이 없으므로, 수식에 대한 좀더 자세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 과정에 의해 계산한 변수 ep 와 변수 l 을, 수학식 3에 대입하면 dec 값을 얻을 수 있다. 상기 dec 값과, 태양의 고도각(el)과 방위각(az)을 수학식 2에 대입하면, 변수 ha를 얻을 수 있다. 상기 과정에서 계산한 변수 ha 와, 태양의 고도각(el)과 수학식 3으로 부터 얻은 dec 값을, 수학식 1에 대입하면, 위도 정보인 lat 를 얻는다.

경도 정보를 얻는 방법은, 수학식 2에 의해서 계산한 ha 값을, 수학식 4에 대입하고 변수 ra 를 구하면 된다. ra 는 수학식 5에 의하여 구하며, 수학식 5에서 변수 ep 는 수학식 6을 이용하여 구한다. 수학식 6에서 변수 n 은 수학식 12에 의하여 얻는다. 또한 수학식 5에서 변수 l 은, 수학식 7에 의하여 구하며, 수학식 7의 변수 g 는 수학식 9에 의하여 구하며, 수학식 9의 변수 n 은, 수학식 12에 의하여 구한다. 상기 과정에 의해 계산한 ra 값과 ha 값을, 수학식 4에에 대입하면, lmst 값을 얻는다.

lmst 값을 수학식 10에 대입하고, 변수 gmst 를 구하면, 경도값을 구할 수 있다. 수학식 10에서 변수 gmst는, 수학식 11에 의하여 구한다. 수학식 11에서 변수 n은 수학식 12로 부터 얻고, 변수 hour은 전자시계에 의하여 얻는다.

상기 과정에 의해 계산한 lmst 값과 gmst 값을 수학식 10에 대입하면, 현 지점의 경도 정보가 얻어진다.

태양 위치 계산식은 여러 수식이 있으나, 본 발명의 설명에서는 복잡성 때문에 MICALSKY 가 제시한 방법을 이용하여 설명하였다. MICALSKY 계산식은 상대적으로 간단하여, 역 과정을 푸는 것이 비교적 수월하나 대략 +,- 0.01도의 오차율을 가진다. MEER 가 제시한 계산식은 다른 행성의 영향까지도 고려하여서 계산식이 복잡하여, 그 역과정을 푸는 것은 더욱 더 많은 계산 과정을 필요로 하나, +,- 0.00003도 이내의 오차율을 가진다. 따라서 위치 정확도를 높이기 위해서는 MEER 가 제시한 방법을 적용하는 것이 바람직하다.

연산부(103)에서는 장치의 자세 정보와 태양의 고도 및 방위각을 통하여 그 지점의 위치를 알 수 있기 때문에, 추가적으로 그 지점에서의 동서남북에 대한 방향 정보를 얻을 수 있다. 즉 진북 정보를 추가로 얻을 수 있다. 진북 정보는 자세 감지부에의 기준 자세 값과 현재 자세가 그 기준 자세에서 얼마나 기울어져 있나를 계산하고, 거기에 현 위치 값인 위도와 경도 정보를 추가로 이용하면, 그 지점에서의 진북 방향을 계산할 수 있게 된다. 상기 과정에 의해 얻은 방향 정보를 디스플레이(105)에 표현하면 전자 나침반의 역할을 추가로 수행할 수가 있다. 표준시간제공부(106)는 년, 월 및 날짜를 포함한 GMT 표준 시간과 지역시간 정보를 포함한 데이터를 내장하여, 위도 경도가 주어지면 그 지역에서의 표준시간을 자동적으로 계산하여 연산부(103)에 제공하며, 또한 디스플레이(105)에 지역시간 또는 GMT 표준 시간을 나타나도록 한다.

디스플레이(105)에서는 날짜와 시간 및 그 지점의 위치 정보, 즉 위도 및 경도 디스플레이는 물론, 진북을 가리키는 나침반 정보를 표시해 준다.

전원부(104)는 태양감지부(102), 즉 솔라셀어레이(201)에서 발생시킨 전기를

충전하고, 이 전기를 각 부에 공급하는 역할을 한다. 모든 전력은 전원부(104)를 통하여 공급되나, 표준시간제공부(106) 및 자세감지부(101)의 전원은 태양 빛이 없을 때에도 항상 작동하여야 하기 때문에, 상시 동작을 위한 소형 건전지를 내장하도록 한다.

본 발명은 임의의 한 지점에 대한 위도와 경도 정보를 정확하게 알고 있으면 임의의 시간에, 그 지점에서의 태양의 고도와 방위각 정보를 계산식에 의해서 구할 수 있으며, 역으로 임의의 시간에 태양의 고도와 방위각 정보를 정확하게 알고 있으면, 그 지점의 위도와 경도 정보, 즉 그 지점의 위치를 얻을 수 있다는 것에 착안한 것으로, 본 발명은 태양 고도 및 방위각 산출 계산식과 3축 MEMS 각속도 센서, 태양전지, 전자시계를 이용하여 GPS 정보를 얻을 수 없는 상태 또는 지역에서도 그 위치를 얻을 수 있도록 한 장치에 대한 것이다. 이 장치는 임의의 지점 및 임의의 시간에 태양 고도 및 방위각을 자동으로 측정하고, 상기 값과 시간을 가지고 산출 계산식의 역 과정을 거쳐 그 지점의 위도 및 경도 정보를 얻을 수 있도록 하여 그 지점에서의 위치 정보를 제공해 준다. 추가적으로 상기 과정에서 얻은 위치정보와 자세감지부로 부터 얻은 자세정보를 이용하여 진북 정보를 제공한다. 본 장치는 기계적 포인팅 과정이 수반되지 않아서, 실시간으로 자세 정보 파악이 가능하므로, 배나 자동차 등 운항중인 상태에서도 위치 정보 획득이 가능하도록 한다.

3축 MEMS 각속도 센서의 오차가 아직 +,- 0.01도 정도이며, 태양전지를 통하여 얻을 수 있는 태양 포인팅 정보에 대한 오차가 추가적으로 예상되어, 현재로서는 오차율이 +,- 33m 보다 훨씬 클 것으로 예상되나, 3축 MEMS 각속도 센서의 오차가 줄어들고, 태양전지셀을 좀더 작게 제작하고, 태양위치계산식이 좀더 정확한 수식을 이용하면, GPS 에 버금가는 위치 정보 제공도 가능할 것으로 사료된다.

결과적으로 본 발명은 여러 가지 요인에 의하여 GPS 정보를 얻을 수 없는 상황에서, 그 지점의 위치 정보 및 전자 나침반 역할을 할 수 있는 방향 정보를 비교적 정확하게 얻을 수 있도록 하여, 재난, 전쟁, 난파, 추락 등으로 인하여 고립되어 위치 파악이 어려울 때, 태양빛 만 존재한다면 그 지점의 위치 및 방향을 제공하는 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

101 : 자세감지부
102 : 태양감지부
103 : 연산부
104 : 전원부
105 : 디스플레이
106 : 표준시간제공부
201 : 솔라셀어레이
202, 203, 204, 205 : 폴

Claims (2)

1. 솔라셀어레이에 폴을 설치하여, 햇빛이 솔라셀어레이에 비춰지면, 폴의 그림자로 가려진 솔라셀이, 햇빛에 직접 노출된 솔라셀에 비하여, 전기가 작게 발생되는 현상이 나타나며, 해당 솔라셀의 위치를 감지하여, 태양의 위치를 정확하게 알아내도록 하는 태양감지부와;
   3축 MEMS 각속도 센서를 이용하여, 본 발명에 따른 장치에 대한 자세정보를 감지하여, 상기 장치와 태양과의 기울어진 정도를 파악할 수 있도록 하는 자세감시부와;
   정밀 클럭을 발생시켜 표준 시간 및 율리우스 일을 계산하여, 연산부에 제공하는 표준시간제공부와;
   상기 태양감지부에서 얻은 태양 위치정보와, 자세감시부에서 얻은 자세 정보와, 표준시간제공부에서 얻은 시각 정보를 가지고, 태양 위치 계산식의 역 과정을 통하여 현 위치를 계산하며, 추가적으로 상기 과정에서 얻은 현 위치 정보와 자세정보를 이용하여, 진북정보를 계산하는 연산부와;
   위치 정보, 진북 정보, 시간 정보를 나타내주는 디스플레이부와;
   상기 각 구성부에 전원을 공급하는 전원부로 구성하여,
   GPS 정보를 얻을 수 없는 상황에서, 태양 빛만 가지고도, 그 지점의 위치 정보 및 진북 정보를 얻을 수 있도록 하는 방법 및 장치.
2. 청구항 1항에 있어서,
   솔라셀어레이의 모퉁이 4곳에 폴을 설치하여, 폴의 그림자가 솔라셀어레이의 면적에 최대로 들어가도록 하여, 솔라셀의 면적을 최소의 크기로 만들 수 있도록 한 방법과;
   솔라셀을 태양의 위치감지센서 외에 전원을 충전하는 역할도 하도록 하여, 솔라셀의 사용 효율을 높이도록 한 방법.

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