KR20150024080A - 천문 컴퍼스 - Google Patents

Abstract

천체를 이용하여 자신의 좌표와 천체의 지위 간의 방위각을 측정할 수 있도록 한 천문 컴퍼스에 관한 것으로, 천체를 관측하여 천측 측정값을 출력하는 천측 센서부; 상기 천측 센서부가 천체를 추적하도록 상기 천체 센서부의 구동을 제어하는 천측 추적부; 상기 천체의 시간에 따른 위치 정보를 포함하는 천측력 데이터가 저장된 천측력 데이터베이스부; 현재의 자신의 위치 좌표값 및 시각을 입력받는 위치 연동부; 상기 천측 측정값을 기초로 나의 위치 좌표값 및 시각 정보와 천측력 데이터를 연산하여 방위각을 산출하는 연산 처리부; 상기 연산 처리부에서 처리된 방위각을 디스플레이해주는 표시부를 포함한다.

Description

천문 컴퍼스{Astronomical compass}

본 발명은 천문 컴퍼스(Astronomical compass)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 천체를 이용하여 자신의 좌표와 천체의 지위를 이용하여 방위각을 측정할 수 있도록 한 천문 컴퍼스에 관한 것이다.

통상, 해상에서 항해하는 선박은 정확한 방위를 측정하여 선박 코스(course)로 사용하여 운항의 효율성을 높이고 있다. 따라서 모든 선박에는 방위를 표시하는 컴퍼스를 의무 장착하도록 강제하고 있어, 국제 항해에 종사하는 대형 선박뿐만 아니라 연안을 운항하는 소형 선박은 물론 현재 날로 시장의 주목을 받고 있는 레저 보트분야 등 모든 선박에 컴퍼스는 없어서는 안 되는 필수 품목으로 자리매김하고 있다.

현재 선박에서 사용하고 있는 컴퍼스는 크게 기계식 자이로스코프를 구동하여 방위를 측정하는 자이로 컴퍼스(Gyro Compass), 지구 자기를 이용한 마그네틱 컴퍼스(Magnetic Compass), 그리고 GPS 위성의 전파를 수신하여 방위를 산출하는 위성 컴퍼스(Satellite Compass) 등이 사용되고 있다. 또한, 광을 이용한 링 레이저 자이로를 비롯, 전자기술의 발전에 따라 IC화 되어 있는 소형 컴퍼스의 등장도 활발히 이루어지고 있다.

기계식 자이로 컴퍼스는 약 0.5°정도의 오차가 있는 컴퍼스로 현재 해상에서 안정성 높은 기기로 평가받고 있어 국제 항해에 종사하는 선박이나 함정 등 비교적 대형선박에 의무적으로 장착되고 있으나, 가격이 비싸고 주기적으로(통상, 1년 단위) 자이로스코프를 분해하여 점검하는 등 유지 보수에도 많은 비용이 발생하는 단점이 있다.

상대적으로 가격이 저렴한 마그네틱 컴퍼스의 경우, 값싸게 설치할 수 있고 과거로부터 오랜 시간 사용해 오고 있지만, 그 오차가 지구의 지자기 영향에 지대한 영향을 받는 관계로 방위의 정확성이 떨어지는 단점 이외에도 진북의 측정을 위해 자차 수정 등의 주기적인 유지보수가 요구되는 단점이 있다. 아울러 구조상, 선박의 선회 등 선박의 움직임에 따라 지지액 속에 있는 컴퍼스 카드의 움직임이 동조화되어 자동 조타 장치와의 연동에 어려움이 있다. 또한, 방위신호를 타 장비와 접속하기 위해서는 플럭스-게이트(Flux-gate) 등과 같은 추가 장비가 필요 하는 등 연동이 어려운 것이 현실이다. 이와 같은 문제로 인해 선박에서는 방위측정을 위한 기기로서는 점차 배제되고 있다.

최근에 사용되기 시작한 GPS 위성을 이용한 위성 컴퍼스는 원리가 복잡하지 않은 대신 GPS 위성 시스템에 전적으로 의지하고 있다는 점과 비교적 고가의 판매 가격으로 인해 소형선에서는 아직 보편적으로 사용하지 못하고 있는 실정이다.

한편, 컴퍼스에 대한 또 다른 종래기술이 하기의 <특허문헌 1> 대한민국 공개특허 공개번호 10-2007-0119774호(2007.12.21. 공개) 및 <특허문헌 2> 대한민국 공개특허 공개번호 10-2010-0008499호(2010.01.26. 공개)에 개시되었다.

<특허문헌 1>은 스텝 모터를 이용한 새로운 형태의 회전식 디지털 컴퍼스 장치를 구축함과 동시에 더불어 자동으로 자차계수를 갱신할 수 있는 이론식과 알고리즘을 제공한다.

<특허문헌 2>는 방위각 센서로 자이로 컴퍼스를 이용하고, 방위각 및 속도 센서와 위치 센서를 이용하여 선박의 위치를 측정하게 된다.

대한민국 공개특허 공개번호 10-2007-0119774호(2007.12.21. 공개) 대한민국 공개특허 공개번호 10-2010-0008499호(2010.01.26. 공개)

그러나 상기와 같은 종래기술들은 주지한 바와 같이, 자이로 컴퍼스 및 위성 컴퍼스가 고가여서 소형 선박에 적용하기에는 부담이 있으며, <특허문헌 1>에 개시된 디지털 컴퍼스는 스텝 모터, 자기 센서 등의 장비를 사용하고 새로운 알고리즘까지 필요하여 구성이 복잡하다는 단점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 천체를 이용하여 자신의 좌표와 천체의 지위를 이용하여 방위각을 측정할 수 있도록 한 천문 컴퍼스를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 주간에는 태양을, 야간에는 달과 별을 이용하여 방위각을 산출할 수 있도록 한 천문 컴퍼스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기계식 자이로 컴퍼스의 분해 점검과 같은 유지보수나 마그네틱 컴퍼스와 같은 자차 수정이 필요없는 천문 컴퍼스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 다른 장비와의 연동에 적합하도록 표준 포맷(NMEA) 신호로 방위 신호를 출력할 수 있도록 한 천문 컴퍼스를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 진북의 판단이 정확하고, 외부 환경 등에 영향을 적게 받으며, 항해를 위한 헌팅(표시기의 좌우 흔들림)이 없고, 1°이하의 정확도를 유지할 수 있는 천문 컴퍼스를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 천문 컴퍼스는 천체를 관측하여 천측 측정값을 출력하는 천측 센서부; 상기 천측 센서부가 천체를 추적하도록 상기 천체 센서부의 구동을 제어하는 천측 추적부; 현재 시각에 대한 천체의 위치 정보(지위)를 포함하는 천측력 데이터가 저장된 천측력 데이터베이스부; 현재 자신의 위치 좌표값과 현재의 시각을 수동으로 입력하거나 GPS위성신호로부터 현재 자신의 위치 좌표값 및 시간을 자동 입력하는 위치 연동부; 상기 천측 측정값을 기초로 자신의 위치 좌표값 및 시각 정보와 천측력 데이터를 연산하여 방위각을 산출하는 연산 처리부; 상기 연산 처리부에서 처리된 방위각을 디스플레이해주는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 천문 컴퍼스는 각속도를 측정하는 각속도 센서부를 더 포함하고, 상기 연산 처리부는 상기 천측 측정값이 존재하지 않을 경우 상기 각속도 센서부에서 측정한 각도의 값을 기초로 방위각을 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 연산 처리부는 현재의 시각 정보를 기초로 천체의 지위를 결정하고, 상기 자신의 위치 좌표값과 상기 결정한 천체의 지위에 상응하는 방위각을 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 연산 처리부는 상기 천측 측정값을 이용하여 연산된 방위각으로 현재 사용하고 있는 방위각의 오차를 보정하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 천측 센서부는 베이스; 상기 베이스의 중심에 형성되어, 나의 위치에서 천측 센서부가 회전하여 정확하게 천체의 방향으로 일치할 경우 천측 측정값을 출력하는 천측 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 천측 센서는 입사 빛을 검출하는 광센서 또는 카메라 또는 천체 인식이 가능한 카메라 시스템으로 구성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 천체를 이용하여 자신의 좌표와 천체의 지위 간의 방위각을 측정할 수 있으므로, 기계식 자이로 컴퍼스의 분해 점검과 같은 유지보수나 마그네틱 컴퍼스와 같은 자차 수정의 불편함을 해소할 수 있는 천문 컴퍼스를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 진북의 판단이 정확하고, 외부 환경 등에 영향을 적게 받으며, 항해를 위한 헌팅(표시기의 좌우 흔들림)이 없으면서도 1°이하의 정확도를 유지할 수 있는 천문 컴퍼스를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 천문 컴퍼스의 블록 구성도,
도 2는 본 발명에 적용된 천측 센서부의 실시 예 평면도 및 정면도,
도 3은 본 발명에서 지위를 설명하기 위한 설명도,
도 4는 본 발명에서 방위각의 연산을 설명하기 위한 설명도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 천문 컴퍼스를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 천문 컴퍼스의 구성을 보인 블록도로서, 천측 센서부(100), 천측 추적부(110), 표시부(200), 연산 처리부(300), 천측력 데이터베이스부(400), 위치 연동부(510), 각속도 센서부(520), 외부 인터페이스(530)를 포함한다.

천측 센서부(100)는 천체를 관측하여 천측 측정값을 출력하는 역할을 한다.

이러한 천측 센서부(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 원형 또는 타원형의 베이스; 상기 베이스의 중심에 형성되어, 나의 위치에서 천측 센서부(100)가 회전하여 정확하게 천체의 방향으로 일치할 경우 천측 측정값을 출력하는 천측 센서를 포함한다. 여기서 천측 센서는 입사 빛을 검출하는 광센서를 이용하거나 정확하게 방위가 일치할 경우 동작하는 카메라로 구현할 수 있다.

천측 추적부(110)는 상기 천측 센서부(100)가 천체를 추적 회전하도록 상기 천체 센서부(100)의 구동을 제어하는 역할을 한다. 이를 위해 천측 추적부(110)는 천측 센서부(100)와 축으로 연결되어, 천측 센서부(100)를 회전시키는 모터 등을 포함하는 것이 바람직하다.

천측력 데이터베이스부(400)는 시각에 따른 천체의 위치 정보를 포함하는 천측력 데이터를 제공하는 역할을 한다. 지구상에서 항해를 위해 해와 별 등의 천체를 관측할 경우, 대부분의 별과 별자리에서도 그 일정한 운동을 관측할 수 있는 데, 항해를 위한 주요 천체의 규칙적인 움직임을 정리해 놓은 것을 천측력 데이터라 한다. 이러한 천측력은 선박이 대양을 항해할 때 천체의 관측에 필요한 태양, 달, 행성, 항성 등의 위치를 비롯하여, 일출, 일몰, 월몰 시각 등을 수록하여 선박의 방위 및 위치를 구하는 데 편리하게 사용할 수 있도록 편집한 항해서지이다. 천체의 관측에 있어, 태양과 달(보름달)의 경우는 그림자의 방향으로서도 천체의 관측이 가능하고, 그 밖에 일반적인 행성, 항성의 경우 망원경, 각도계 등으로 천체의 관측도 가능하다.

위치 연동부(510)는 현재 자신의 위치 좌표값과 시각을 수동으로 입력하거나 또는 GPS위성신호로부터 현재의 자신의 위치 좌표값 및 현재의 시각을 추출하여 연산 처리부(300)에 전달하는 역할을 한다.

연산 처리부(300)는 상기 천측 측정값을 기초로, 자신의 위치 좌표값 및 시간 정보와 천측력 데이터를 연산하여 방위각을 산출하는 역할을 한다. 이러한 연산 처리부(300)는 시각 정보를 기초로 천체의 지위를 결정하고, 상기 자신의 위치 좌표값과 상기 결정된 지위에 상응하는 방위각을 천측력 데이터를 이용하여 산출한다. 아울러 연산 처리부(300)는 상기 천측 측정값을 이용하여 산출된 방위각으로 현재 사용하고 있는 방위각의 오차를 보정 한다.

표시부(200)는 상기 연산 처리부(300)에서 처리된 방위각을 디스플레이해주는 역할을 한다.

각속도 센서부(520)는 각속도를 측정하여 연산 처리부(300)에 전달하는 역할을 하며, 상기 연산 처리부(300)는 상기 천측 측정값이 존재하지 않을 경우 상기 각속도 센서부(520)에서 측정한 각도를 기초로 방위각을 산출한다.

외부 인터페이스(530)는 외부 장치와의 인터페이스를 수행해주는 역할을 하는 것으로서, 예를 들어 조타 장치 같은 외부 장치와 연동하는 것을 가능하게 해줄 수도 있다. 특히, 외부 인터페이스(530)는 방위 신호를 표준 포맷(NMEA) 신호로 외부 장치에 인터페이스 해준다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 천문 컴퍼스의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 천측 센서부(100)는 천체를 관측하면서 도 2에 도시된 바와 같이, 베이스의 중심에 형성된 천측 센서가 정확하게 천체의 방향으로 그 방향이 일치하면, 천측 센서를 통해 천체 측정값을 출력한다. 즉, 천측 센서부(100)는 원형 또는 타원형 형상의 베이스중심에 1mm정도의 홈을 형성하고, 그 홈의 내측에 빛에 반응하는 광센서를 장착한다. 여기서 광센서 대신에 동일한 역할이 가능한 카메라를 사용해도 무방하다. 그리고 정확하게 방향이 일치할 경우 광센서가 동작하도록 하여, 천측 측정값을 출력한다.

여기서 천측 센서부(100)는 회전 가능한 구조로서, 천측 추적부(110)에 의해 구동된다. 즉, 천측 추적부(110)는 모터 등을 이용하여 천측 센서부(100)를 회전시키게 되고, 천측 센서부(100)는 회전하면서 정확하게 천체 센서가 천체의 방향에 일치하면 천측 측정값을 출력한다. 다시 말해, 천측 추적부(110)는 천측 센서부(100)를 구동시켜 천측 센서가 빛의 강도가 강한 쪽으로 추적 회전할 수 있도록 한다. 이러한 제어 동작에 의해 천측 센서가 천체를 자동으로 추적하게 된다.

천측 센서는 상기와 같은 과정으로 천체를 추적하여 빛의 강도가 가장 강한 위치가 되거나, 혹은 임의의 천체를 정확히 인식하였을 때, 천측 측정값을 연산 처리부(300)에 출력한다.

연산 처리부(300)는 상기 천측 측정값을 기초로 위치 연동부(510)에서 획득한 자신의 위치 좌표값 및 시각 정보와 천측력 데이터베이스부(400)에 저장된 천측력 데이터를 연산하여 방위각을 산출한다. 즉, 상기 시각 정보를 기초로 천체의 지위를 결정하고, 나의 위치 좌표값과 상기 결정한 천체의 지위에 상응하는 방위각을 천측력 데이터를 이용하여 산출한다.

여기서 방위각 산출 과정을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시한 바와 같이, 천체와 지구중심을 연결한 직선이 지구표면과 만나는 점을 지위(地位)(Geographical Position; GP)라 한다. 이러한 지위는 천체의 운동 때문에 시각에 따라 규칙적으로 변화하며, 천체의 위치를 지구 좌표에 투영한 것으로 해석할 수 있다.

천체를 다루는 좌표계는 일반 좌표계가 아닌 구 좌표계를 사용한다는 것이 전제된다. 구 좌표계의 특성은 반지름과 수평각, 수직각 세 성분의 구성으로 이루어진다. 지구의 표면에 있는 관측자로부터 천체까지의 거리는 겉보기로 만으로는 알 수 없으므로 그들의 원근에는 관계없이 모두 하나의 커다란 구의 내면에 붙어 있는 것처럼 느낀다. 그러므로 관측자의 눈을 중심으로 하고, 무한대의 반지름을 가진 구를 가상하여 모든 천체가 이 구면에 붙어있는 것이라고 가정한 가상의 구를 천구라고 한다.

즉, 천체는 천구상의 좌표를 가지며, 별자리 등이 항상 일정하게 나타나고 있는 것처럼 그들 천체의 움직임은 규칙적이다. 따라서 관측자가 천체를 관측한다는 것은 천구상의 좌표를 인식하는 것이지만, 이들 천체는 천구상의 좌표에 대응하는 지구표면의 지위를 가지고 있으므로, 본 발명에서는 이 지위와 자신의 위치를 이용하여 방위각을 연산한다.

도 4에서 도시한 바와 같이, 천체의 지위는 지구의 경위도에 대응하는 값을 가지는데, 지구의 경도에 해당하는 값을 GHA(Greenwich Hour angle)이라 하며, 지구의 위도에 해당하는 값을 Dec(Declination)이라 한다. 단, 지구의 경도가 동경, 서격 180°인데 반해, GHA는 서경 방향으로 360°의 값으로 표시된다.

이러한 개념을 기초로 연산 처리부(300)는 상기 천측 측정값과 위치 연동부(510)를 통해 획득한 관측자의 현재 위치, 그리고 관측 시각에 따른 천측력 데이터 베이스부(400)의 천측력 데이터를 통해 산출한 천체의 지위를 토대로, 방위각을 연산한다. 여기서 방위각을 산출한다는 것은, 자세히 말해 나의 위치에서 진북을 기준으로 한 천체의 방위를 구한다는 것을 의미한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 지위(GHA, Dec)와 나의 위치(Longitude, Latitude)를 연결한 선분 r의 거리는 구면삼각법의 코사인법칙을 이용하여,

로 정의 가능하다. 여기서 LHA(Local Hour Angle)는 천체의 지위와 나의 위치 간의 경도상의 차를 의미한다.

이렇게 구해진 천체의 지위와 나의 위치를 연결한 선분 r의 거리를 이용하여, 진북과 선분 r이 이루는 각 z를 같은 방법으로 다음과 같이 구할 수 있다.

즉, z를 구하므로써 관측한 천체의 방위가 진북을 기준으로 z만큼 각을 이루고 있다는 것을 알 수 있을 뿐만 아니라, 나의 위치와 천체의 지위를 연결한 선분 r에 대해 -z의 방위에 진북이 존재한다는 것을 정확히 알 수 있다. 이렇게 구해진 진북을 기준으로 각속도 센서부(520)는 회전할 때 그 각도를 측정하여, 천문 컴퍼스의 방위각을 계산한다. 이렇게 획득되는 방위각은 표시부(200)에 디스플레이된다.

이러한 방식으로 천체를 통해 측정한 방위각을 산출함으로써, 기존 기계식 자이로 컴퍼스의 분해 점검과 같은 유지보수나 마그네틱 컴퍼스와 같은 자차 수정의 불편함을 해소할 수 있는 천문 컴퍼스를 제공할 수 있는 효과가 있다. 또한, 천체 측정 방식을 이용함으로써 진북의 판단이 정확하고, 외부 환경 등에 영향을 적게 받으며, 항해를 위한 헌팅(표시기의 좌우 흔들림)이 없으면서도 오차 1°이하의 정확도를 유지할 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기와 같은 방법은 천체의 측정이 가능한 경우이며, 천체의 측정이 불가능한 경우에는, 각속도 센서부(520)에서 측정한 각도 값을 이용하여 연산 처리부(300)에서 방위각을 산출하고, 그 산출한 방위각을 표시부(200)에 표시한다. 이때 방위각은 천체 측정을 통해 획득한 방위각보다는 정확하지 않을 수 있지만, 그 오차 범위가 작아 사용하는 데 문제는 없다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 선박에서 항해를 위한 컴퍼스 기술에 적용 가능하며, 육상 또는 항공에서 방위를 구하는 기술에도 적용 가능하다. 특히, 천체를 이용하여 방위각을 산출하는 기술에 효과적으로 적용된다.

100… 천측 센서부
110… 천측 추적부
200… 표시부
300… 연산 처리부
400… 천측력 데이터베이스부
510… 위치 연동부
520… 각속도 센서부
530… 외부 인터페이스(I/F)

Claims (7)

1. 천체를 관측하여 천측 측정값을 출력하는 천측 센서부;
   상기 천측 센서부가 천체를 추적하도록 상기 천체 센서부의 구동을 제어하는 천측 추적부;
   상기 천체의 시간에 따른 위치 정보를 포함하는 천측력 데이터가 저장된 천측력 데이터베이스부;
   자신의 위치 좌표값 및 시각을 입력받는 위치 연동부;
   상기 천측 측정값을 기초로, 현재 자신의 위치 좌표값 및 시각 정보와 천측력 데이터를 연산하여 방위각을 산출하는 연산 처리부; 및
   상기 연산 처리부에서 처리된 방위각을 디스플레이해주는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 천문 컴퍼스.
   
2. 청구항 1에 있어서, 각도를 측정하는 각속도 센서부를 더 포함하고, 상기 연산 처리부는 상기 천측 측정값이 존재하지 않을 경우 상기 각속도 센서부에서 측정한 각도를 기초로 방위각을 산출하는 것을 특징으로 하는 천문 컴퍼스.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 연산 처리부는 시각 정보를 기초로 천체의 지위를 결정하고, 상기 자신의 위치 좌표값과 상기 결정된 지위에 상응하는 방위각을 산출하는 것을 특징으로 하는 천문 컴퍼스.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 연산 처리부는 상기 천측 측정값의 연산을 통해 산출된 방위각으로 현재 사용하고 있는 방위각을 보정하는 것을 특징으로 하는 천문 컴퍼스.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 천측 센서부는 베이스; 상기 베이스의 중심에 형성되어, 나의 위치에서 천측 센서부가 회전하여 정확하게 천체의 방향으로 일치할 경우 천측 측정값을 출력하는 천측 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 천문 컴퍼스.
   
6. 청구항 5에 있어서, 상기 천측 센서는 입사 빛을 검출하는 광센서 또는 카메라 또는 천체의 인식이 가능한 카메라 시스템으로 구성하는 것을 특징으로 하는 천문 컴퍼스.
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 연산 처리부와 연결되어 외부 장치와의 연동을 위해 방위각 신호를 표준 포맷(NMEA) 신호로 인터페이스 해주는 외부 인터페이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천문 컴퍼스.
   
   

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