KR20150106698A - 테더존데 시스템 및 이의 관측 방법 - Google Patents

테더존데 시스템 및 이의 관측 방법 Download PDF

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KR20150106698A KR1020140029093A KR20140029093A KR20150106698A KR 20150106698 A KR20150106698 A KR 20150106698A KR 1020140029093 A KR1020140029093 A KR 1020140029093A KR 20140029093 A KR20140029093 A KR 20140029093A KR 20150106698 A KR20150106698 A KR 20150106698A
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한국전자통신연구원
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Abstract

테더존데 시스템 및 이의 관측 방법이 개시된다. 테더존데 시스템은 기구, 기구에 매달려 상승하면서 기상을 관측하고, 위치 정보를 포함하는 기상 데이터를 전송하는 라디오존데, 기상 데이터를 수신하여 분석하고, 위치 정보를 이용하여 해당 대기층의 풍향 및 풍속을 산출하는 지상수신장치 및 지상수신장치와 라디오존데를 연결하며, 라디오존데의 관측 지점이 조정되도록 감기거나 풀리는 연결선을 포함한다.

Description

테더존데 시스템 및 이의 관측 방법{Tethersonde system and method for observation thereof}
본 발명은 테더존데 시스템 및 이의 관측 방법에 관한 것이다.
고층기상 관측을 위한 라디오존데(Radiosonde)는 기구(풍선)에 매달려 기구와 함게 비양되어 기구가 상승하는 동안 기상상태를 측정하여 지상수신장치로 전송하는 기능을 수행한다. 라디오존데는 온도계, 습도계, 기압계 등 기상센서와 GPS 수신기, 무선 송신기로 구성되며, 기구에 메달려 상승되는 동안 일정 주기로 측정된 기상정보를 무선으로 전송한다. 지상수신장치는 라디오존데가 송신한 기상 데이터를 수신하여 분석, 저장, 전송한다. 라디오존데를 비양시키기 위한 기구는 가벼운 기체로 채워져서 부력에 따라 상승하게 되며, 상승하면서 팽창하다가 결국 터지게 되고, 터지면 라디오존데와 함께 낙하한다. 한번 비양된 라디오존데는 산이나 바다 등 불특정 지역에 떨어져 폐기되므로 회수하기 곤란하며, 정밀한 관측을 위하여 특정 고도나 특정 위치에서 반복 측정이나 센서 보정이 곤란하다.
이러한 라디오존데의 문제점을 극복하기 위하여, 라디오존데 및 기구를 손상없이 회수할 수 있도록 복수의 제어선을 갖는 낙하산을 라디오존데에 적용하고, 제어선을 구동하여 낙하지점을 유도하는 방법이 있다. 이러한 방법도 공중으로 비양되는 장치의 무게가 증가되어 중층기상 관측이 곤란하고, 대기상태에 따라 회수하지 못하는 경우에는 오히려 환경오염이 심화되고 사고 위험이 증가되는 문제가 있다.
한편, 테더존데(tethersonde) 시스템은 지상 지지대에 연결된 줄에 테더존데와 기구가 매달려 공중으로 비양되는 것으로, 대기 중저층 기상 (온도, 습도, 기압, 풍속, 풍향 등)을 관측하는데 활용된다. 테더존데 시스템은 테더존데가 연결선에 묶여 있어서 관측이 완료되면 줄을 감아서 테더존데를 회수할 수 있으며, 줄을 감았다 풀어다 함으로서 반복 측정이 용이하며, 측정 시간 조정이 가능한 장점이 있다. 반면에, 테더존데는 라디오존데와 달리 연결선에 매여 있어서 바람에 따라 이동하지 못하므로, 바람을 관측하기 위하여 추가적으로 풍향계 및 풍속계가 요구된다. 또한, 테더존데는 연결선에 메여 있어서 바람이 강하게 불 때 사용하기 곤란하고, 라디오존데에 비하여 무게가 무겁거나 부피가 커서 중층 이상의 높은 고도의 기상을 관측하기 어려운 문제점이 있다.
이러한 테더존데의 문제점을 극복하기 위하여, 테더존데에서 풍향계나 풍속계없이 바람을 측정하기 위하여 연결선에 장력계를 설치하여 연결선의 장력과 기구의 위치를 관측하여 풍향과 풍속을 측정하는 방법이 있다. 이 방법은 테더존데로 라디오존데를 활용할 수 있는 장점과 이동하여 측정하기 용이한 장점이 있다. 반면에, 연결선에 장력계가 필요하므로 강한 바람이 있는 경우, 측정이 곤란하고, 풍력이 변화되는 경우에는 기구가 계속 이동하게 되며 이 경우에는 풍력의 일부가 운동에너지로 소모되어 장력으로 계산하는 풍속 오차가 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 일회성으로 사용되고 버려지는 라디오존데를 회수하기 위하여 라디오존데에 연결선을 적용하여 대기 중저층 기상을 관측하기 위한 테더존데 시스템을 제안하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 테더존데 시스템이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 테더존데 시스템은 기구, 상기 기구에 매달려 상승하면서 기상을 관측하고, 위치 정보를 포함하는 기상 데이터를 전송하는 라디오존데, 상기 기상 데이터를 수신하여 분석하고, 상기 위치 정보를 이용하여 해당 대기층의 풍향 및 풍속을 산출하는 지상수신장치 및 상기 지상수신장치와 상기 라디오존데를 연결하며, 상기 라디오존데의 관측 지점이 조정되도록 감기거나 풀리는 연결선을 포함한다.
상기 지상수신장치는 상기 라디오존데가 상승하는 도중에는 상기 위치정보를 이용한 위치벡터로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출하고, 상기 라디오존데가 상승하다가 상기 연결선에 의하여 고정되는 경우에는 상기 위치정보를 이용한 방위각 및 고도각으로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출한다.
상기 위치 정보는 상기 라디오존데가 위치하는 지점의 경도, 위도 및 고도를 포함하고, 상기 지상수신장치는 상기 위치 정보를 구좌표계로 변환하고, 상기 라디오존데가 이전 시점 또는 현재 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하지 않은 경우, 상기 라디오존데가 이전 시점에 위치하는 지점과 현재 시점에 위치하는 지점 사이의 수평거리와 상기 이전 시점의 측정시간과 현재 시점의 측정시간의 차이인 측정주기를 이용하여 상기 풍속을 산출하고, 상기 라디오존데가 이전 시점에 위치하는 지점과 현재 시점에 위치하는 지점의 xy평면 좌표값의 차이를 이용하여 상기 풍향을 산출한다.
상기 지상수신장치는 바람이 수직방향으로 부는 경우, 상기 라디오존데가 이전 시점에 위치하는 지점과 현재 시점에 위치하는 지점의 고도 차이와 상기 측정주기를 이용하여 산출한 값에서 상기 라디오존데의 상승속도를 빼어 상기 풍속을 산출한다.
상기 지상수신장치는 상기 라디오존데가 이전 시점 및 현재 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하고, 상기 라디오존데의 현재 위치와 이전 위치가 동일한 경우, 기구에 의한 상승력과 바람이 수평으로 당기는 힘의 합력과 상기 연결선의 장력이 평형을 이루는 것과 바람의 세기에 따라 변화하는 상기 라디오존데의 고도를 이용하여 상기 풍속을 산출하고, 상기 현재 시점에 위치하는 지점의 방위각을 상기 풍향으로 산출한다.
상기 지상수신장치는 상기 라디오존데가 이전 시점 및 현재 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하고, 상기 라디오존데의 현재 위치와 이전 위치가 다른 경우, 기구에 의한 상승력, 바람이 수평으로 당기는 힘의 합력, 이동 속도에 따른 저항력 및 가속도와 상기 연결선의 장력이 평형을 이루는 것과 바람의 세기에 따라 변화하는 상기 라디오존데의 고도를 이용하여 상기 풍속을 산출하고, 상기 현재 시점에 위치하는 지점의 방위각을 상기 풍향으로 산출한다.
상기 지상수신장치는 상기 연결선을 감거나 푸는 기능을 수행하는 기구 승강 모듈을 포함하되, 상기 기구 승강 모듈은 상기의 연결선이 풀린 길이를 조정하여 관측지점 또는 관측시간을 제어한다.
상기 기구가 터져 상기 라디오존데가 낙하하는 경우, 낙하속도를 낮추기 위하여 상기 라디오존데에 연결되어 낙하시 낙하산을 펼치는 낙하산 장치를 더 포함한다.
상기 연결선은 테더 연결선, 라디오존데 연결선 및 기구 연결선을 포함하되, 상기 라디오존데 연결선 또는 상기 기구 연결선은 바람이 강한 악기상인 경우에 끊어지도록 사전에 강도가 조절됨으로써, 상기 테더존데 시스템이 라디오존데 시스템으로 전환되어 활용되거나, 상기 라디오존데가 회수된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기구에 매달려 상승하면서 기상을 관측하는 라디오존데와 지상수신장치가 연결선에 의하여 연결된 테더존데 시스템에서 상기 지상수신장치가 수행하는 관측 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 테더존데 시스템에서의 관측 방법은 상기 연결선을 감거나 풀어 상기 라디오존데의 관측 지점을 조정하는 단계, 상기 라디오존데로부터 위치 정보를 포함하는 기상 데이터를 수신하는 단계, 상기 기상 데이터를 분석하는 단계 및 상기 위치 정보를 이용하여 해당 대기층의 풍향 및 풍속을 산출하는 단계를 포함한다.
상기 풍향 및 풍속을 산출하는 단계는, 상기 라디오존데가 상승하는 도중에 상기 위치정보를 이용한 위치벡터로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출하는 단계 및 상기 라디오존데가 상승하다가 상기 연결선에 의하여 고정되는 경우에 상기 위치정보를 이용한 방위각 및 고도각으로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출하는 단계를 포함한다.
상기 위치벡터로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출하는 단계는, 상기 위치 정보를 구좌표계로 변환하는 단계, 상기 라디오존데가 이전 시점 또는 현재 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하지 않은 경우, 상기 라디오존데가 이전 시점에 위치하는 지점과 현재 시점에 위치하는 지점 사이의 수평거리와 상기 이전 시점의 측정시간과 현재 시점의 측정시간의 차이인 측정주기를 이용하여 상기 풍속을 산출하는 단계 및 상기 라디오존데가 이전 시점에 위치하는 지점과 현재 시점에 위치하는 지점의 xy평면 좌표값의 차이를 이용하여 상기 풍향을 산출하는 단계를 포함하는 단계를 포함한다.
바람이 수직방향으로 부는 경우, 상기 라디오존데가 이전 시점에 위치하는 지점과 현재 시점에 위치하는 지점의 고도 차이와 상기 측정주기를 이용하여 산출한 값에서 상기 라디오존데의 상승속도를 빼어 상기 풍속을 산출하는 단계를 더 포함한다.
상기 방위각 및 고도각으로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출하는 단계는, 상기 라디오존데가 이전 시점 및 현재 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하고, 상기 라디오존데의 현재 위치와 이전 위치가 동일한 경우, 기구에 의한 상승력과 바람이 수평으로 당기는 힘의 합력과 상기 연결선의 장력이 평형을 이루는 것과 바람의 세기에 따라 변화하는 상기 라디오존데의 고도를 이용하여 상기 풍속을 산출하는 단계 및 상기 현재 시점에 위치하는 지점의 방위각을 상기 풍향으로 산출하는 단계를 포함한다.
상기 방위각 및 고도각으로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출하는 단계는, 상기 라디오존데가 이전 시점 및 현재 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하고, 상기 라디오존데의 현재 위치와 이전 위치가 다른 경우, 기구에 의한 상승력, 바람이 수평으로 당기는 힘의 합력, 이동 속도에 따른 저항력 및 가속도와 상기 연결선의 장력이 평형을 이루는 것과 바람의 세기에 따라 변화하는 상기 라디오존데의 고도를 이용하여 상기 풍속을 산출하는 단계 및 상기 현재 시점에 위치하는 지점의 방위각을 상기 풍향으로 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 테더존데 시스템은 상황에 따라 라디오존데 또는 테더존데로 활용될 수 있다.
도 1은 테더존데 시스템의 구성을 개략적으로 예시한 도면.
도 2는 도 1의 테더존데 시스템에서의 관측 방법을 나타낸 흐름도.
도 3은 구좌표계에서 라디오존데의 위치 좌표를 예시한 도면.
도 4는 라디오존데가 구의 접면에서 접선을 따라 이동하는 경우에 라디오존데에 영향을 주는 힘을 나타낸 도면.
도 5는 테더존데 시스템의 구성을 개략적으로 예시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 1은 테더존데 시스템의 구성을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 테더존데 시스템은 라디오존데(10), 지상수신장치(20), 기구(30), 연결선(40) 및 사용자단말(50)을 포함한다.
라디오존데(10)는 기구(30)에 매달려 공중으로 비양되고, 기구와 함께 상승하면서 주기적으로 기상을 관측하여 관측한 기상 데이터를 지상수신장치(20)로 전송한다. 예를 들어, 라디오존데(10)는 지표면으로부터 약 35km 범위의 고층기상을 관측하기 위한 것으로, 온도, 습도, 기압 등을 측정하는 기상센서와 GPS 수신기를 탑재할 수 있다. 그래서, 라디오존데(10)는 GPS 수신기를 통해 획득한 위치 정보를 포함하는 기상 데이터를 지상수신장치(20)로 전송할 수 있으며, 위치 정보는 풍향 및 풍속을 산출하는데 이용될 수 있다.
지상수신장치(20)는 라디오존데(10)로부터 수신하는 기상 데이터를 분석 및 저장하고, 사용자단말(50)로 전송하는 기능을 수행한다.
특히, 지상수신장치(20)는 라디오존데(10)로부터 수신한 기상 데이터에 포함된 위치 정보를 이용하여 해당 대기층의 풍향 및 풍속을 산출할 수 있다. 예를 들어, 지상수신장치(20)는 라디온존데(10)가 기구(30)와 함께 상승하는 도중에는 위치정보를 이용한 위치벡터로부터 풍향 및 풍속을 산출하고, 라디오존데(10)가 상승하다가 연결선(40)에 의하여 고정되는 경우에는 위치정보를 이용한 방위각 및 고도각으로부터 풍향 및 풍속을 산출할 수 있다. 이에 대해서는, 이후 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
그리고, 지상수신장치(20)는 연결선(40)을 감거나 푸는 기능을 수행하는 기구 승강 모듈(21)을 포함한다. 예를 들어, 기구 승강 모듈(21)은 기구(30) 및/또는 라디오존데(10)에 연결된 연결선(40)을 동력에 의하여 자동 또는 수동으로 감거나 풀어 관측 전 지상에서 대기 중저층으로 기구(30)와 라디오존데(10)를 상승시키거나 관측 종료 후 대기 중저층에서 지상으로 기구(30)와 라디오존데(10)를 하강시키는 전동식 릴(Reel) 장치가 될 수 있다. 또한, 기구 승강 모듈(21)은 연결선(40)이 풀린 길이를 조정하여 관측지점 또는 관측시간을 제어할 수도 있다.
기구(30)는 가벼운 기체로 채워져서 부력에 의하여 상승하고, 상승하면서 팽창하다가 결국 터지게 된다. 기구(30)가 터지면, 라디오존데(10)는 낙하하게 된다. 예를 들어, 라디오존데(10)는 낙하속도를 낮추기 위하여 낙하시 낙하산을 펼치는 낙하산 장치(11)에 연결될 수 있다.
연결선(40)은 관측이 종료된 후, 기구(30)와 라디오존데(10)를 회수하기 위하여 사용되며, 기구 승강 모듈(21)에 의하여 감거나 풀려 풀린 길이가 조정된다. 연결선(40)이 풀린 길이가 일정 시간동안 변경되지 않도록 고정시킨 길이를 고정길이라고 할 수 있으며, 고정길이는 운용 중 운영자에 의하여 임의로 변경될 수 있다. 예를 들어, 고정길이는 미리 설정된 관측지점의 고도에 상응하게 설정될 수 있거나, 연결선(40)의 최대 길이가 될 수 있다.
도 2는 도 1의 테더존데 시스템에서의 관측 방법을 나타낸 흐름도이다.
S210 단계에서, 지상수신장치(20)는 라디오존데(10)로부터 위치 정보를 수신한다. 여기서, 위치 정보는 라디오존데(10)가 현재 위치하는 지점의 위도, 경도 및 고도를 포함한다. 지상수신장치(20)는 풍향 및 풍속 산출을 위하여 위치 정보를 구좌표계로 변환할 수 있다.
예를 들어, 도 3은 구좌표계에서 라디오존데의 위치 좌표를 예시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 구좌표계는 연결선(40)의 고정길이가 반지름으로 설정되고, 경도(동서방향)가 x축, 위도(남북방향)가 y축, 고도가 z축으로 설정될 수 있다. 구좌표계의 원점은 지상수신장치(20)가 위치하는 지점인 P0(x, y, z)가 되고, 라디오존데(10)가 시간 t(현재 시점의 시간으로 가정)에서 위치하는 지점의 좌표는 Pt(x, y, z)가 될 수 있다. 그리고, 수직방향에 대한 각도는 고도각(elevation angle) θt, x축으로부터의 각도는 방위각(azimuth angle) φt이 될 수 있다.
예를 들어, 고도각(θ)과 방위각(φ)은 다음의 수학식 1을 통해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
θ = tan-1((x2 + y2)1/2/ z)
φ = tan-1(y/x)
시간 t-1(현재 시점으로부터 미리 설정된 주기만큼의 이전 시점의 시간으로 가정)에서, 라디오존데(10)가 위치하는 지점의 좌표는 Pt-1(x, y, z), 고도각은 θt-1, 방위각은 φt-1이 될 수 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 도 3은 라디온존데(10)가 시간 t-1에서 Pt-1(x, y, z)에 위치해 있다가 시간 t에서 Pt(x, y, z)으로 이동한 것을 나타내고 있다.
S220 단계에서, 지상수신장치(20)는 라디오존데(10)가 현재 위치하는 지점과 기준점과의 거리를 산출한다. 여기서, 기준점은 지상수신장치(20)가 위치하는 지점으로, 구좌표계 상에서 원점이 될 수 있다.
예를 들어, 라디오존데(10)가 현재 위치하는 지점 Pt(x, y, z)과 기준점 P0(x, y, z) 사이의 거리(Dt)는 현재 위치하는 지점과 기준점과의 차이로부터 다음의 수학식 2를 통해 산출될 수 있다.
[수학식 2]
Dt = (x2 + y2 + z2)1/2
이때, 연결선(40)의 길이가 고정길이(Lfix)와 같거나 오차 범위 내에 있으면 구의 접면에 있다고 가정할 수 있다.
S230 단계에서, 지상수신장치(20)는 라디오존데(10)가 현재 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일한지 여부를 판단한다. 예를 들어, 지상수신장치(20)는 라디오존데(10)가 현재 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 같거나 미리 설정된 오차 범위 내에 있으면 동일한 것으로 판단할 수 있다.
만약, 라디오존데(10)가 현재 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하지 않은 경우, S250 단계로 진입한다.
S240 단계에서, 지상수신장치(20)는 라디오존데(10)가 현재 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일한 경우, 라디오존데(10)가 이전 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일한지 여부를 판단한다.
만약, 라디오존데(10)가 이전 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하지 않은 경우, S250 단계로 진입한다.
S250 단계에서, 지상수신장치(20)는 라디오존데(10)가 이전 시점 또는 현재에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하지 않은 경우, 위치 벡터를 이용하여 풍향 및 풍속을 산출한다.
예를 들어, 도 4는 라디오존데가 구의 접면에서 접선을 따라 이동하는 경우에 라디오존데에 영향을 주는 힘을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 기구(30)와 함께 라디오존데(10)가 비양 후, 연결선(40)이 자유롭게 풀리고 있는 경우, 라디오존데(10)는 부력에 의한 상승력과 바람에 의한 풍력에 따라 이동한다. 이때, 바람의 영향을 무시한 수직 방향의 상승력을 Fl라고 가정하면, 상승력(Fl)은 Fl 2 = Fb 2 - mg2 로 나타낼 수 있다. 여기서, Fb는 부력을, mg는 기구와 라디오존데의 중력을 나타낸다. 연결선의 무게는 충분히 가벼운 것으로 가정하면 무시될 수 있으며, 그렇지 않은 경우, 연결선의 무게가 mg에 포함될 수 있다. 연결선의 무게는 단위 길이당 무게에 길이를 곱하여 산출될 수 있다. 부력(Fb)은 기구(30)에 주입된 기체의 밀도와 주변 공기의 밀도차 및 기구(30)의 부피로부터 산출될 수 있으며, 이러한 파라미터는 비양 과정에서 획득될 수 있다. 비양 후 시간이 경과하면, 상승력(Fl)과 공기 저항력(Fd)은 크기가 같아지게 되고, 크기가 같아지면, Fl = - Fd가 되며, 라디오존데(10)는 일정한 속도로 상승하게 된다. 이때, 공기저항에 따른 저항계수를 Cd, 라디오존데(10)의 상승속도를 Vl라고 가정하면, 공기 저항력(Fd)은 Fl = 1/2ρACdVl 2 로부터 산출될 수 있다. 여기서, ρ는 공기 밀도를, A는 기구의 단면적을 나타낸다.
한편, 연결선(40)의 길이가 충분한 경우, 라디오존데(10)는 바람에 따라 이동하게 되며, 수평 방향의 풍속(Vw) 및 풍향(Dir)은 다음의 수학식 3을 통해서 산출될 수 있다.
[수학식 3]
Vw = ||pt(x,y) - pt -1(x,y)||/T
Dir = tan-1[(pt(y) - pt -1(y))/(pt(x) - pt -1(x))]
여기서, ||pt(x,y) - pt -1(x,y))||는 x-y평면에서 두 점 사이의 수평 거리를 나타내며, T는 측정주기로서, 측정시간 t와 이전 시점의 측정시간 t-1과의 차이를 나타낸다.
그리고, 바람이 수직 방향으로 부는 경우, 바람의 상승속도를 Vh라고 가정하면, 바람의 상승속도는 Vh = (pt(z) - pt -1(z)) /T - Vl 가 된다. 여기서, Vh가 양수이면, 수직 상승속도가 되고, 반대로 음수이면, 수직하강 속도가 된다.
S260 단계에서, 지상수신장치(20)는 라디오존데(10)가 이전 시점 및 현재에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일한 경우, 라디오존데(10)의 현재 위치가 이전 위치와 동일한지 여부를 확인한다.
S270 단계에서, 지상수신장치(20)는 라디오존데(10)의 현재 위치가 이전 위치와 동일한 경우, 고도각, 방위각 및 상승력을 이용하여 풍향 및 풍속을 산출한다. 즉, 지상수신장치(20)는 기구에 의한 상승력과 바람이 수평으로 당기는 힘의 합력과 상기 연결선의 장력이 평형을 이루는 것과 바람의 세기에 따라 변화하는 상기 라디오존데의 고도를 이용하여 상기 풍속을 산출하고, 상기 현재 시점에 위치하는 지점의 방위각을 상기 풍향으로 산출한다.
S280 단계에서, 지상수신장치(20)는 라디오존데(10)의 현재 위치가 이전 위치와 동일하지 않은 경우, 고도각, 방위각, 상승력, 저항력 및 가속도를 이용하여 풍향 및 풍속을 산출한다. 즉, 지상수신장치(20)는 기구에 의한 상승력, 바람이 수평으로 당기는 힘의 합력, 이동 속도에 따른 저항력 및 가속도와 상기 연결선의 장력이 평형을 이루는 것과 바람의 세기에 따라 변화하는 상기 라디오존데의 고도를 이용하여 상기 풍속을 산출하고, 상기 현재 시점에 위치하는 지점의 방위각을 상기 풍향으로 산출한다.
예를 들어, 다시, 도 4를 참조하면, 도 1의 테더존데 시스템에서, 연결선(40)이 고정길이만큼 풀려서 더 이상 풀리지 않은 경우, 라디오존데(10)는 바람의 영향으로, 연결선(40)의 길이를 반지름으로 하는 구의 접면을 따라 이동할 수 있다. 그리고, 라디오존데(10)가 구의 접면의 임의의 지점에 정지해 있는 경우(Pt(x, y, z)= Pt-1(x, y, z)), 라디오존데(10)에 미치는 힘은 평형을 이루고 있음을 의미한다. 바람이 수평방향으로 분다고 가정하면, FT 2 = Fl 2 + Fw 2이 된다. 여기서, Fw는 바람이 수평으로 당기는 힘을, FT는 연결선이 당기는 장력을 나타낸다.
따라서, 수평방향의 바람의 힘(Fw)은 Fw = Fltanθ가 되고, 풍속(Vw)은 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Vw = [2 Fltanθ / (ρACd)]1/2
한편, 바람의 풍향과 풍속이 변화하는 경우, 라디오존데(10)는 구의 접선을 따라 이동한다. 바람의 세기가 강해지는 경우, 라디오존데(10)의 고도가 낮아지고, 바람의 세기가 약해지는 경우, 라디오존데(10)의 고도가 높아진다. 이와 같은 경우에 S280 단계가 수행된다. 즉, S280 단계에서, 지상수신장치(20)는 라디오존데(10)의 위치가 변화하므로 이동방향에 반대되는 방향의 저항력과 바람의 세기변화에 따른 가속도를 고려하여 바람의 세기를 추정할 수 있다.
라디오존데(10)가 이동하게 되면, 뉴톤의 제2 운동법칙에 따라 힘과 가속도는 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00001

여기서, m은 라디오존데(10)의 질량을, Fd는 공기 저항력을 나타내며, 운동 방향과 반대반향으로 작용한다.
이때, 시간 t와 시간 t-1에서의 위치변화를 관측하여 관측 주기를 고려하여 속도 및 가속도가 산출될 수 있다. 구면 좌표계를 사용하고, 풍향이 일정하다고 가정하면, 구 접면에서의 속도(Vs) 및 공기 저향력(Fd)은 다음의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00002
Figure pat00003

가속도
Figure pat00004
는 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00005
Figure pat00006

장력 FT와 공기 저항력 Fd는 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00007
Figure pat00008

따라서, 풍력(Fw), 풍속(Vw) 및 풍향(Dir)은 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00009
Vw = [2 Fw / (ρACd)]1/2
Dir = tan-1 [pt(y)/pt(x)]
한편, 바람이 수평방향뿐만 아니라 수직 방향으로 상승하는 바람이 분다면, 라디오존데(10)는 측정기간 동안 상승력에 의한 상승속도보다 더 빨리 상승하게 된다. 라디오존데(10)가 구의 접선을 따라 이동하는 속도를 고려하여 그 속도보다 더 빠르게 상승하는 경우, 상승력보다 빠른 만큼의 속도가 수직 상승속도로 산출될 수 있다. 반면에, 라디오존데(10)가 구의 접선을 따라 하강하는 경우, 바람의 하강속도가 무시될 수 있다.
그리고, 구의 접면에 있던 라디오존데(10)가 구의 접선을 따라 이동하지 않고 내부로 이동한 경우, 부력에 의한 상승속도(Vb)와 위치 이동에 의한 하강속도를 합하여 상승속도가 산출될 수 있다.
도 5는 테더존데 시스템의 구성을 개략적으로 예시한 도면이다. 도 5에서는 테더존데 시스템의 연결선(40)의 구성을 중심으로 설명하되, 도 1의 테더존데 시스템의 구성과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 5를 참조하면, 테더존데 시스템의 연결선(40)은 테더 연결선(41), 라디오존데 연결선(42) 및 기구 연결선(44)을 포함한다. 이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 연결선(40)은 테더 연결선(41)과 라디오존데 연결선(42)을 연결하는 연결구(43)를 더 포함할 수 있다.
라디오존데 연결선(42) 또는 기구 연결선(44)은 바람이 강한 악기상인 경우에 끊어지도록 사전에 강도가 조절됨으로써, 테더존데 시스템은 라디오존데 시스템으로 전환되어 활용되거나, 라디오존데(10)를 회수할 수 있다.
예를 들어, 테더존데 시스템이 라디오존데 시스템으로 활용되는 경우, 라디오존데 연결선(42)의 강도가 미리 설정된 풍속 이상에서 끊어지도록 조절될 수 있다. 또는, 라디오존데 연결선(42)의 강도가 다른 연결선의 강도보다 약하게 조절되고, 라디오존데 연결선(42)을 갑자기 감아 장력을 증가시킴으로써, 라디오존데 연결선(42)이 끊어지게 할 수도 있다. 라디오존데 연결선(42)이 끊어지면, 기구(30)와 함께 라디오존데(10)와 낙하산 장치(11)가 상승하게 되며, 기구(30)는 계속 상승하면서 팽창하다가 터지게 되면, 낙하하게 된다. 낙하산 장치(11)는 낙하시 낙하속도를 낮추는 낙하산을 펼치기 위하여 라디오존데(10)에 연결되거나 부착될 수 있다.
예를 들어, 기구(30)는 폐기되고 라디오존데(10)가 회수되는 경우, 앞서 전술한 라디온존데 연결선(42)과 마찬가지로, 기구 연결선(44)의 강도가 미리 설정된 풍속 이상에서 끊어지도록 조절될 수 있다. 기구 연결선(44)이 끊어지면, 기구(30)는 상승하다가 터져서 낙하하여 폐기되며, 라디오존데(10)와 낙하산 장치(11)는 낙하하는 동안 테더 연결선(41)을 감아서 지상수신장치(20)로 끌어당겨져 회수될 수 있다. 이렇게 회수됨으로써, 라디오존데(10)의 폐기에 따른 환경 오염을 축소하는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 라디오존데
11: 낙하산 장치
20: 지상수신장치
21: 기구 승강 모듈
30: 기구
40: 연결선
41: 테더 연결선
42: 라디오존데 연결선
43: 연결구
44: 기구 연결선
50: 사용자단말

Claims (15)

  1. 기구;
    상기 기구에 매달려 상승하면서 기상을 관측하고, 위치 정보를 포함하는 기상 데이터를 전송하는 라디오존데;
    상기 기상 데이터를 수신하여 분석하고, 상기 위치 정보를 이용하여 해당 대기층의 풍향 및 풍속을 산출하는 지상수신장치; 및
    상기 지상수신장치와 상기 라디오존데를 연결하며, 상기 라디오존데의 관측 지점이 조정되도록 감기거나 풀리는 연결선을 포함하는 테더존데 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지상수신장치는 상기 라디오존데가 상승하는 도중에는 상기 위치정보를 이용한 위치벡터로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출하고, 상기 라디오존데가 상승하다가 상기 연결선에 의하여 고정되는 경우에는 상기 위치정보를 이용한 방위각 및 고도각으로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출하는 것을 특징으로 하는 테더존데 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 위치 정보는 상기 라디오존데가 위치하는 지점의 경도, 위도 및 고도를 포함하고,
    상기 지상수신장치는 상기 위치 정보를 구좌표계로 변환하고, 상기 라디오존데가 이전 시점 또는 현재 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하지 않은 경우, 상기 라디오존데가 이전 시점에 위치하는 지점과 현재 시점에 위치하는 지점 사이의 수평거리와 상기 이전 시점의 측정시간과 현재 시점의 측정시간의 차이인 측정주기를 이용하여 상기 풍속을 산출하고, 상기 라디오존데가 이전 시점에 위치하는 지점과 현재 시점에 위치하는 지점의 xy평면 좌표값의 차이를 이용하여 상기 풍향을 산출하는 것을 특징으로 하는 테더존데 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 지상수신장치는 바람이 수직방향으로 부는 경우, 상기 라디오존데가 이전 시점에 위치하는 지점과 현재 시점에 위치하는 지점의 고도 차이와 상기 측정주기를 이용하여 산출한 값에서 상기 라디오존데의 상승속도를 빼어 상기 풍속을 산출하는 것을 특징으로 하는 테더존데 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 지상수신장치는 상기 라디오존데가 이전 시점 및 현재 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하고, 상기 라디오존데의 현재 위치와 이전 위치가 동일한 경우, 기구에 의한 상승력과 바람이 수평으로 당기는 힘의 합력과 상기 연결선의 장력이 평형을 이루는 것과 바람의 세기에 따라 변화하는 상기 라디오존데의 고도를 이용하여 상기 풍속을 산출하고, 상기 현재 시점에 위치하는 지점의 방위각을 상기 풍향으로 산출하는 것을 특징으로 하는 테더존데 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 지상수신장치는 상기 라디오존데가 이전 시점 및 현재 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하고, 상기 라디오존데의 현재 위치와 이전 위치가 다른 경우, 기구에 의한 상승력, 바람이 수평으로 당기는 힘의 합력, 이동 속도에 따른 저항력 및 가속도와 상기 연결선의 장력이 평형을 이루는 것과 바람의 세기에 따라 변화하는 상기 라디오존데의 고도를 이용하여 상기 풍속을 산출하고, 상기 현재 시점에 위치하는 지점의 방위각을 상기 풍향으로 산출하는 것을 특징으로 하는 테더존데 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지상수신장치는 상기 연결선을 감거나 푸는 기능을 수행하는 기구 승강 모듈을 포함하되,
    상기 기구 승강 모듈은 상기의 연결선이 풀린 길이를 조정하여 관측지점 또는 관측시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 테더존데 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기구가 터져 상기 라디오존데가 낙하하는 경우, 낙하속도를 낮추기 위하여 상기 라디오존데에 연결되어 낙하시 낙하산을 펼치는 낙하산 장치를 더 포함하는 테더존데 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연결선은 테더 연결선, 라디오존데 연결선 및 기구 연결선을 포함하되,
    상기 라디오존데 연결선 또는 상기 기구 연결선은 바람이 강한 악기상인 경우에 끊어지도록 사전에 강도가 조절됨으로써, 상기 테더존데 시스템이 라디오존데 시스템으로 전환되어 활용되거나, 상기 라디오존데가 회수되는 것을 특징으로 하는 테더존데 시스템.
  10. 기구에 매달려 상승하면서 기상을 관측하는 라디오존데와 지상수신장치가 연결선에 의하여 연결된 테더존데 시스템에서 상기 지상수신장치가 수행하는 관측 방법에 있어서,
    상기 연결선을 감거나 풀어 상기 라디오존데의 관측 지점을 조정하는 단계;
    상기 라디오존데로부터 위치 정보를 포함하는 기상 데이터를 수신하는 단계;
    상기 기상 데이터를 분석하는 단계; 및
    상기 위치 정보를 이용하여 해당 대기층의 풍향 및 풍속을 산출하는 단계를 포함하는 테더존데 시스템에서의 관측 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 풍향 및 풍속을 산출하는 단계는,
    상기 라디오존데가 상승하는 도중에 상기 위치정보를 이용한 위치벡터로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출하는 단계; 및
    상기 라디오존데가 상승하다가 상기 연결선에 의하여 고정되는 경우에 상기 위치정보를 이용한 방위각 및 고도각으로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테더존데 시스템에서의 관측 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 위치벡터로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출하는 단계는,
    상기 위치 정보를 구좌표계로 변환하는 단계;
    상기 라디오존데가 이전 시점 또는 현재 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하지 않은 경우, 상기 라디오존데가 이전 시점에 위치하는 지점과 현재 시점에 위치하는 지점 사이의 수평거리와 상기 이전 시점의 측정시간과 현재 시점의 측정시간의 차이인 측정주기를 이용하여 상기 풍속을 산출하는 단계; 및
    상기 라디오존데가 이전 시점에 위치하는 지점과 현재 시점에 위치하는 지점의 xy평면 좌표값의 차이를 이용하여 상기 풍향을 산출하는 단계를 포함하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테더존데 시스템에서의 관측 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    바람이 수직방향으로 부는 경우, 상기 라디오존데가 이전 시점에 위치하는 지점과 현재 시점에 위치하는 지점의 고도 차이와 상기 측정주기를 이용하여 산출한 값에서 상기 라디오존데의 상승속도를 빼어 상기 풍속을 산출하는 단계를 더 포함하는 테더존데 시스템에서의 관측 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 방위각 및 고도각으로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출하는 단계는,
    상기 라디오존데가 이전 시점 및 현재 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하고, 상기 라디오존데의 현재 위치와 이전 위치가 동일한 경우, 기구에 의한 상승력과 바람이 수평으로 당기는 힘의 합력과 상기 연결선의 장력이 평형을 이루는 것과 바람의 세기에 따라 변화하는 상기 라디오존데의 고도를 이용하여 상기 풍속을 산출하는 단계; 및
    상기 현재 시점에 위치하는 지점의 방위각을 상기 풍향으로 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테더존데 시스템에서의 관측 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 방위각 및 고도각으로부터 상기 풍향 및 풍속을 산출하는 단계는,
    상기 라디오존데가 이전 시점 및 현재 시점에 위치하는 지점과 기준점과의 거리가 고정길이와 동일하고, 상기 라디오존데의 현재 위치와 이전 위치가 다른 경우, 기구에 의한 상승력, 바람이 수평으로 당기는 힘의 합력, 이동 속도에 따른 저항력 및 가속도와 상기 연결선의 장력이 평형을 이루는 것과 바람의 세기에 따라 변화하는 상기 라디오존데의 고도를 이용하여 상기 풍속을 산출하는 단계; 및
    상기 현재 시점에 위치하는 지점의 방위각을 상기 풍향으로 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 테더존데 시스템에서의 관측 방법.


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