KR20150140247A

KR20150140247A - 실시간 송수신 방식 무인항공기를 활용한 지하시설물 데이터베이스 구축 시스템

Info

Publication number: KR20150140247A
Application number: KR1020150164772A
Authority: KR
Inventors: 최태혁
Original assignee: 주식회사 삼인공간정보
Priority date: 2015-11-24
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2015-12-15
Also published as: KR101626606B1

Abstract

본 발명은 국가에서 관리하고 표준 좌표정보를 제공하는 다중 기준국 중 선택된 어느 하나의 상시고정기준국으로부터 위치정보를 실시간 수신하는 무인항공기를 이용하여 전파 장애물(구조물)이 많은 도심지역의 지하시설물 위치정보를 정밀하게 측량하여 확보하므로 지리정보체계(GIS)에 의한 지하시설물의 위치정보를 신뢰성 있게 갱신 관리하는 실시간 송수신 방식 무인항공기를 활용한 지하시설물 데이터베이스 구축 시스템에 관한 것으로 국가에서 관리하고 다수로 이루어지며 다중 기준국(N-RTK)을 형성하고 지피에스 인공위성 신호를 분석하여 각각 특정한 위치에서 국가의 표준이 되는 상시고정기준위치정보 신호를 무선으로 24 시간 방송하는 상시고정기준국; 상시고정기준국과 방해물이 없는 직선거리의 공간을 비행하며 원격 무선조정제어신호에 의하여 지정된 공간에 정지상태로 체공하고 상기 상시고정기준위치정보 신호를 무선으로 수신 분석하여 방위각이 포함되는 현재 위치에서의 무인항공기위치정보를 검출 확인하며 확인된 무인항공기위치정보를 무선으로 방송하는 무인항공기; 무인항공기가 방송하는 상기 무인항공기위치정보를 수신 분석하고 방위각이 포함되는 현재 위치에서의 지하시설물위치정보를 검출 확인하여 상기 무인항공기에 회신하는 지하시설물고정기준국 및 지하시설물고정기준국에 일측 끝단 부분이 연결 설치되고 지정길이 값으로 형성되며 지하에 매설되는 지하시설물과 지정길이 값의 타측 끝단 부분이 접촉되고 해당 제어명령신호에 의하여 상기 지정길이 값 정보와 지하시설물 상세관리정보를 입력하여 할당된 저장영역에 기록하며 상기 지하시설물고정기준국의 해당 요청명령신호에 의하여 블루투스 방식 무선신호로 상기 지하시설물고정기준국에 제공하는 지정길이태그막대부를 포함하는 특징이 있다.

Description

실시간 송수신 방식 무인항공기를 활용한 지하시설물 데이터베이스 구축 시스템{Apparatus of detecting position information for underground facilities}

본 발명은 측량 기술 분야 중 실시간 송수신 방식으로 운용되는 무인항공기를 활용하여 지하시설물의 데이터베이스(DB)를 구축하는 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 국가에서 관리하고 표준 위치정보를 제공하는 다중기준국 중 선택된 어느 하나의 상시고정기준국으로부터 표준 위치정보를 실시간 수신하고 중계하는 무인항공기을 이용하여 전파 장애물(구조물)이 많은 도심지역의 지하시설물 위치정보를 정밀하게 측량하여 확보하므로 지리정보체계(GIS)에 의한 지하시설물의 위치정보를 신뢰성 있게 갱신하고 관리하는 실시간 송수신 방식 무인항공기를 활용한 지하시설물 데이터베이스 구축 시스템에 관한 것이다.

지하시설물은 지하(지중)에 설치되고 운영되는 것으로 전기시설, 가스시설, 상하수도시설, 통신시설, 송유관시설 등과 같은 것이 있다.

지하시설물은 한번 설치하면 안전하게 유지시킬 수 있는 장점이 있으나 지상의 주변환경이 바뀌는 경우 매설된 위치를 정확하게 확인하기 어렵고 또한, 해당 주변의 개발이나 유지보수 등과 같은 다양한 원인에 의하여 그 위치를 확인하고 관리할 필요가 있으며, 지하시설물의 정확한 위치를 확인하기 위하여 측지측량 기술을 이용한 지리정보체계(GIS : Geographic Information System) 기술이 적용된다.

일반적으로 지리정보체계(GIS)는 복잡한 자료를 신속하고 정확하게 지도상에 나타낼 수 있으므로 각종 정보 분석에 소요되는 시간을 단축시켜 주며, 자료의 시각화가 편리하고, 종이 지도에 비해 지도의 축소와 확대, 중첩이 용이하다.

지리정보체계(GIS)는 공공시설이나 상점의 입지 같은 공간적 의사 결정은 물론 시설물의 관리나 재난, 재해 관리, 도시 계획 등 다양한 분야에서 널리 활용된다. 우리가 일상생활에서 편리하게 이용하는 교통 안내 시스템도 지리정보체계(GIS) 활용 분야 중 하나이다.

지리정보체계를 구축하기 위하여 가장 중요한 것이 측지측량이며 측지측량 기술의 한 방식인 GNSS(Global Navigation Satellite System) 측량의 최근 국내 기술 동향은 단일 기준국 RTK(S-RTK : Single-based Real Time Kinematic), 다중 기준국 RTK(N-RTK : Network-based RTK), 정밀단독측위(PPP : Precise Point Positioning) 등 실시간 측위기술이 주류를 이루고 있다.

단일기준국(S-RTK) 측량기법(측량기술)은 거리에 종속한 분산성(주파수에 종속, 전리층지연) 및 비분산성(대류층 지연) 오차의 '공간 비 상관' 특성 때문에 기준국으로 부터 제한된 거리(5 km, 환경에 따라서는 10 내지 20 km 범위) 내에서 사용되어 왔다.

다중 기준국(N-RTK) 측량기법은 지역 또는 국가가 운용하는 GNSS 상시 관측망(CORS : Continuously Operating Reference Station, 상시관측소간 거리 20∼100km)를 활용, CORS 영역 내 이용자에게 S-RTK 거리종속오차의 영향을 최소화하여 사용 범위를 확대(100 km 내외)한 기술로 그 동안 다양한 응용을 통해 국내,외 적으로 효용성이 입증되고 있다.

다중 기준국(N-RTK) 측량기법의 기본이론과 특징에 대한 종합적 비교연구로는 Fortopoulos and Cannon(2001), Leica geosystems(2008), Volker(2009), El-Mowafy(2012), Lee(2014) 등이 있다.

다중 기준국(N-RTK) 측량기법에서의 오차 보정 모델링의 기법별 비교 연구로는 Erhu et al.(2006), Suqin et al.(2009), Al-Shaery et al.(2011) 등이 있고 Heo et al.(2009), Eldar et al.(2012) 등은 실시간 자료전송을 위한 통신프로토콜과 자료형식에 대한 비교연구를 종합적으로 수행한 바 있다.

또한, 상시관측망을 활용한 N-RTK 측량기법 별 수행능력에 대한 최근의 비교연구결과를 Ma et al.(2011), Kutalmıet al.(2013), Mustafa and Niyazi(2013) 등에서 참고할 수 있다.

국토지리정보원에서는 전국에 분포한 GNSS 상시 관측소의 자료를 활용하여 2007년 11월 21일부터 VRS(Virtual Reference Station) 서비스를 실시하고 있고 2012년 10월 31일부터는 FKP(FlaKorrektur Parameter) 서비스도 시작하고 있다.

또한, 년차별로 GNSS 상시관측소의 증설이 추진되었고 2013년 8월, VRS 서버의 설비 교체와 동시접속자수 확대 및 RTCM 3.* 버전의 확장성에 힘입어 전국 상시관측소(53개소, 2014년 11월 기준)를 활용한 GNSS N-RTK 측위서비스를 활용할 수 있게 되었다.

국내에서 수행한 VRS와 FKP의 비교연구로는 Kim and Bae(2013) 등이 옥상에 설치된 GNSS 상시관측소와 유선인터넷 망을 활용하여 FKP 시스템의 안정성을 VRS 측량결과와 비교 분석한바 있다. 현재국내에서 GNSS N-RTK 측량기법은 토목/건설/지적 분야의 세부측량에 널리 활용되고 있고 2008년부터 전국에 설치중인 통합기준점(UCS : Unified Control Station, 약 3,650점, 2013년 말 기준), 지자체의 도시기준점 등과 연계하여 지적재조사 사업에도 널리 활용될 전망이다.

종래기술의 일 실시 예에 의한 것으로 대한민국 특허 등록번호 제10-0888499호(2009.03.05.)에 의한 ‘지하시설물의 위치 탐지장치’가 있다.

도 1 은 종래기술의 일 실시 예에 의한 것으로 지하 시설물의 위치정보 탐지 시스템의 기능 구성도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 선통대(10), 주파수발생기(20), 포설기(30), 이동식 GPS 수신기(50), 표시기(60)를 포함하는 구성이다.

종래기술의 일 실시 예에 의한 지하시설물의 위치정보 탐지 시스템은 지하시설물의 위치정보를 정밀하게 탐지하는 장점이 있으나 포설기(30)를 포함하는 다종 다수의 장치(장비)가 필요하고 소수의 인력이 관리하기 어려우며 한번 사용에 비용과 시간 및 많은 인력이 소요되는 등의 문제가 있다.

또한, 전파 신호의 전송에 방해물로 작용하는 고층건물, 다양한 구조물 등이 다수 소재하고 있어서 지피에스 인공위성의 신호 또는 다중기준국을 구성하는 상시고정기준국의 해당 위치정보 신호가 수신되기 어려운 도심 등과 같은 지역에서는 지하시설물의 위치정보를 정확하게 측량할 수 없어 신뢰성 있는 지리정보체계(GIS)를 구축하기 어려운 문제가 있다.

따라서 도심과 같은 지역에서 지하시설물의 위치정보를 정확하게 측량하여 지리정보체계(GIS)를 갱신하므로 지리정보체계(GIS)의 정밀도와 신뢰성을 높이는 기술을 개발할 필요가 있다.

대한민국 특허 등록번호 제10-0888499호(2009.03.05.) ‘지하시설물의 위치 탐지장치’

상기와 같은 종래 기술의 문제점과 필요성을 해소하기 위하여 안출한 본 발명은 건축물, 구조물 등이 다수 존재하는 도심 지역에서 무인항공기를 이용하여 특정 상시고정기준국으로부터 수신된 위치정보 신호를 중계하므로 지하시설물의 정확한 위치정보를 정밀하게 측량하여 신속하게 제공하여 지리정보체계(GIS)의 정확성을 높이는 실시간 송수신 방식 무인항공기를 활용한 지하시설물 데이터베이스 구축 시스템을 제공하는 것이 그 목적이다.

한편, 본 발명은 지하시설물 관리정보의 신뢰성과 지리정보체계(GIS)의 정확성을 높이면서 전체적으로 지하시설물의 유지관리비용을 줄일 수 있는 실시간 송수신 방식 무인항공기를 활용한 지하시설물 데이터베이스 구축 시스템을 제공하는 것이 그 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명에 의한 것으로 실시간 송수신 방식 무인항공기를 활용한 지하시설물 데이터베이스 구축 시스템은 국가에서 관리하고 다수로 이루어지며 다중 기준국(N-RTK)을 형성하고 지피에스 인공위성 신호를 분석하여 각각 특정한 위치에서 국가의 표준이 되는 상시고정기준위치정보 신호를 무선으로 24 시간 방송하는 상시고정기준국; 상기 상시고정기준국과 방해물이 없는 직선거리의 공간을 비행하며 원격 무선조정제어신호에 의하여 지정된 공간에 정지상태로 체공하고 상기 상시고정기준위치정보 신호를 무선으로 수신 분석하여 방위각이 포함되는 현재 위치에서의 무인항공기위치정보를 검출 확인하며 확인된 무인항공기위치정보를 무선으로 방송하는 무인항공기; 상기 무인항공기가 방송하는 상기 무인항공기위치정보를 수신 분석하고 방위각이 포함되는 현재 위치에서의 지하시설물위치정보를 검출 확인하여 상기 무인항공기에 회신하는 지하시설물고정기준국; 및 상기 지하시설물고정기준국에 일측 끝단 부분이 연결 설치되고 지정길이 값으로 형성되며 지하에 매설되는 지하시설물과 지정길이 값의 타측 끝단 부분이 접촉되고 해당 제어명령신호에 의하여 상기 지정길이 값 정보와 지하시설물 상세관리정보를 입력하여 할당된 저장영역에 기록하며 상기 지하시설물고정기준국의 해당 요청명령신호에 의하여 블루투스 방식 무선신호로 상기 지하시설물고정기준국에 제공하는 지정길이태그막대부; 를 포함하되, 상기 지하시설물고정기준국은 블루투스 방식으로 상기 요청명령신호를 출력하여 상기 지정길이태그막대부에 저장된 상기 지정길이 값 정보와 상기 지하시설물 상세관리정보 신호를 블루투수 방식으로 무선 수신하고, 상기 지정길이태그막대부는 지정길이 값 정보를 비휘발성 상태로 할당된 저장영역에 기록하고 블루투스로 입력되는 제어명령신호에 의하여 상기 지하시설물 상세관리정보를 휘발성 상태로 할당된 저장영역에 기록하며 상기 지하시설물고정기준국의 요청명령 신호에 의하여 기록된 정보를 블루투스 방식 무선신호로 송신하며, 상기 무인항공기는 상기 무인항공기의 전체 운용을 제어하고 감지하는 무인항공기제어부; 상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 상기 상시고정기준국, 지하시설물고정기준국과 무선접속하여 통신하는 제 1 통신부; 상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 이동통신 방식으로 지정된 상대방과 무선접속하여 통신하는 제 2 통신부; 상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 상기 상시고정기준국이 전송한 상시고정기준위치정보를 입력하고 할당된 저장영역에 기록하며 분석하는 상시고정기준위치정보모듈; 상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 상기 상시고정기준위치정보모듈로부터 상기 상시고정기준위치정보를 입력하고 할당된 저장영역에 기록하며 분석하는 무인항공기위치정보모듈; 상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 상기 지하시설물고정기준국이 전송한 지하시설물위치정보를 입력하고 할당된 저장영역에 기록하며 분석하는 지하시설물상세관리정보모듈; 상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 상기 무인항공기의 비행중 수평 상태를 검출하여 할당된 저장영역에 기록하고 수평유지신호를 출력하는 수평검출유지부; 상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 상기 무인항공기의 비행중 수직 상태를 검출하여 할당된 저장영역에 기록하고 수직유지신호를 출력하는 수직검출유지부; 및 상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 비행 동력을 출력하면서 상기 수평검출유지부의 수평유지신호와 상기 수직검출유지부의 수직유지신호를 각각 입력하고 비행 중 수평과 수직을 각각 유지시키는 동력을 출력하는 둘 이상 다수의 비행엔진으로 이루어지는 엔진모듈부; 를 포함할 수 있다.

상기와 같은 구성의 본 발명은 고층의 건축물, 구조물 등이 다수 존재하여 지피에스 인공위성의 지피에스(GPS) 신호 또는 다중기준국을 구성하는 상시고정기준국으로부터 해당 위치정보 신호를 수신할 수 없는 도심 지역에서 무인항공기를 이용하여 상시고정기준국의 위치정보 신호를 중계하므로 도심지역의 지하시설물 위치정보를 정밀하게 측량하고 실시간으로 지리정보체계(GIS)를 갱신 관리하는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 구성은 지리정보체계(GIS)에 의한 지하시설물 관리 정보의 신뢰성과 선호도를 높이고 지하시설물의 유지관리비용을 줄이는 장점이 있다.

도 1 은 종래기술의 일 실시 예에 의한 것으로 지하 시설물의 위치정보 탐지 시스템의 기능 구성도,
도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 실시간 송수신 방식 무인항공기를 활용한 지하시설물 데이터베이스 구축 시스템의 주요기능 구성도,
도 3 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 무인항공기의 주요기능 구성도,
도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 지하시설물고정기준국의 주요기능 구성도,
그리고
도 5 는 다중 기준국(N-RTK) 측량기법에서 서로 다른 수준의 오차면을 갖는 3개 상시관측소 관측망에서 특정점의 실제오차와 모델화한 거리종속오차 간의 관계를 표시한 그래프도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하의 설명에서 VRS와 FKP와 MAX와 i-MAX와 통신프로토콜, 전송자료형식, 통신매체 등에 관한 상세하고 구체적인 설명은 선행문헌 ‘Lee, Y.C. (2014), Investigation on the principles of the Network-RTK processing methods (VRS, FKP, I-MAX, MAX, PRS), Proceedings of the KSGPC 2014 Convention, KSGPC, 15-16 May, JeJu National University. (in Korean)’에 기재되어 있으므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 실시간 송수신 방식 무인항공기를 활용한 지하시설물 데이터베이스 구축 시스템의 주요기능 구성도 이고, 도 3 은 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 무인항공기의 주요기능 구성도 이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 지하시설물고정기준국의 주요기능 구성도 이고, 도 5 는 다중 기준국(N-RTK) 측량기법에서 서로 다른 수준의 오차면을 갖는 3개 상시관측소 관측망에서 특정점의 실제오차와 모델화한 거리종속오차 간의 관계를 표시한 그래프도이다.

이하, 첨부된 모든 도면을 참조하여 상세히 설명하면 지리정보체계(GIS)의 신뢰성을 높이기 위한 실시간 송수신 방식 무인항공기를 활용한 지하시설물 데이터베이스 구축 시스템(900)은 상시고정기준국(1000), 무인항공기(2000), 지하시설물고정기준국(3000), 지정길이태그막대부(4000)를 포함하는 구성이다. 또한, 지하시설물(5000), 구조물(5020)이 더 포함될 수 있다.

상시고정기준국(1000)은 국가에서 관리하고 다수로 이루어지며 다중 기준국(N-RTK)을 형성하고 지피에스 인공위성 신호를 수신 분석하여 각각 특정한 지정 위치에서 국가의 표준이 되는 위치정보 또는 상시고정기준위치정보 신호를 무선으로 24 시간 방송한다.

방송(broadcasting)은 송신한 신호를 불특정 다수가 수신하도록 하는 방식이고, 통신은 특정하게 지정된 상대방과 일대일 접속하여 해당 신호를 송수신하는 것이며, 이하의 설명에서는 문맥상 필요한 부분에서 선택적으로 사용하고 송수신 또는 전송과 같은 의미로 사용하기로 한다.

무인항공기(2000)는 상시고정기준국(1000)과 방해물이 없는 직선거리의 공간을 비행하며 원격 무선조정제어신호에 의하여 지정된 위치의 공간에서 수평과 수직을 정밀하게 유지하면서 정지상태로 체공한다.

무인항공기(2000)는 상시고정기준국(1000)이 방송하는 상시고정기준위치정보 신호를 무선으로 수신 분석하여 상시고정기준국(1000)을 기준으로 하고 무인항공기(2000)와의 사이에 형성된 방위각(제 1 방위각)이 포함되며 현재 위치에서의 좌표정보에 해당하는 무인항공기위치정보를 검출 확인한다.

무인항공기위치정보에는 수신된 현재위치의 위도, 경도, 해발, 방위각(제 1 방위각), 각속도 정보가 포함되는 것으로 설명한다.

이하의 설명에서 무인항공기위치정보는 오버헤드 필드 영역에 2 워드, 위도, 경도, 해발, 방위각(제 1 방위각), 각속도 정보가 포함되는 위치정보 필드 영역에 12 워드, 오류체크 필드 영역에 4 워드, 예비 필드 영역에 4 워드를 각각 할당한 프레임 단위로 변환하여 송수신된다. 이러한 프레임 단위로 변환하여 송수신하는 이유는 주변의 잡음으로부터 보호하고, 다른 데이터와의 구별 및 해킹을 방지하기 위한 것이며, 프레임 구조을 알지 못하면 포함된 내용의 확인 및 변조가 불가능하므로 암호화와 동일 유사한 작용 효과가 있다. 여기서 1 워드(word)는 2 바이트(byte)로 이루어지고, 1 바이트(byte)는 16 비트(bit)로 이루어지도록 구성한다.

즉, 무인항공기위치정보를 분석하면 상시고정기준국(1000)을 기준으로 하여 무인항공기(2000)가 동서남북의 어느 방향 값에 위치하고, 떨어져 있는 직선의 거리 값, 상하의 높낮이(고도 또는 해발)를 알 수 있는 각도(방위각 또는 제 1 방위각) 값이 얼마인지와 무인항공기(2000)가 현재 위치하는 공간의 위도, 경도 및 해발 값 등이 각각 검출된다.

이러한 값들로 이루어지는 무인항공기위치정보를 알 수 있는 수학공식이 적용되고 무인항공기(2000)에 내장된 해당 프로그램으로 분석하면 무인항공기(2000)가 상시고정기준국(1000)을 기준으로 동서남북의 어느 방향으로 어느 직선거리만큼 떨어져 있고, 높낮이(고도 또는 해발)는 어느 값에 해당하는지 등을 정확하게 확인할 수 있다.

따라서 무인항공기(2000)는 지피에스 인공위성의 지피에스 신호를 직접 수신하지 아니하고서도 상시고정기준국(1000)이 방송하는 상시고정기준위치신호를 수신하여 현재 체공하는 위치에서의 좌표정보를 정확하게 분석 및 확인할 수 있다.

한편, 무인항공기(2000)는 검출된 무인항공기위치정보를 무선으로 방송한다.

여기서 무인항공기(2000)가 방송하는 무인항공기위치정보 신호는 상시고정기준국(1000)이 방송하는 상시고정기준위치신호를 중계(repeat)하는 개념으로 생각할 수 있으며, 지하시설물고정기준국(3000)에서는 무인항공기(2000)가 중계한 위치정보 신호를 기준으로 하는 위치정보 신호를 분석 추출하게 된다.

무인항공기(2000)가 상시고정기준국(1000), 지하시설물고정기준국(3000)과 각각 무선접속하여 통신하는 신호방식 및 특정한 상대방과 무선접속하여 통신하는 신호방식은 각각 다르게 구성된다.

일 실시 예로, 무인항공기(2000)가 상시고정기준국(1000), 지하시설물고정기준국(3000)과 무선접속하는 신호방식은 FM(Frequency Modulation) 방식이고, 지하시설물의 최종 검출된 해당 위치정보를 전송하기 위하여 특정하게 지정된 상대방과 무선접속하는 신호방식은 상업용으로 사용되며 이동통신 방식에서 사용되는 CDMA, W-CDMA, TRS 방식 중에서 선택된 어느 하나의 신호방식이 포함된다. 한편, SSB(single side band) 방식으로 변조시켜 무선 송수신하는 것도 비교적 매우 바람직하며, SSB 방식을 적용하는 경우 이하의 설명에서 각 해당 무선통신수단은 SSB 방식의 신호를 처리하는 것으로 설명한다.

무인항공기(2000)는 무인항공기(2000)의 전체 운용을 제어하고 감시하는 무인항공기제어부(2010), 무인항공기제어부(2010)의 제어와 감시에 의하여 상시고정기준국(1000), 지하시설물고정기준국(3000)과 무선접속하여 통신하는 제 1 통신부(2020), 무인항공기제어부(2010)의 제어와 감시에 의하여 이동통신 방식으로 지정된 상대방과 무선접속하여 통신하는 제 2 통신부(2030)를 포함하는 구성이다.

제 1 통신부(2020)는 상시고정기준국(1000) 및 지하시설물고정기준국(3000)에 각각 동시 접속하여 통신할 수 있으며, 이러한 경우는 통신에 할당된 채널을 각각 다르게 지정할 수 있음은 매우 당연하다.

제 1 통신부(2020)는 FM 방식으로 통신하고 제 2 통신부(2030)는 상업용으로 사용되는 이동통신 방식으로 통신한다.

무인항공기(2000)는 무인항공기제어부(2010)의 제어와 감시에 의하여 상시고정기준국(1000)이 전송한 상시고정기준위치정보를 입력하고 할당된 저장영역에 기록하며 분석하는 상시고정기준위치정보모듈(2040), 무인항공기제어부(2010)의 제어와 감시에 의하여 상시고정기준위치정보모듈(2040)로부터 상시고정기준위치정보를 입력하고 할당된 저장영역에 기록하며 분석하는 무인항공기위치정보모듈(2050), 무인항공기제어부(2010)의 제어와 감시에 의하여 지하시설물고정기준국(3000)이 전송한 지하시설물위치정보를 입력하고 할당된 저장영역에 기록하며 분석하는 지하시설물상세관리정보모듈(2070)를 더 포함한다.

또한, 무인항공기(2000)는 무인항공기제어부(2010)의 제어와 감시에 의하여 무인항공기(2000)의 비행중 수평 상태를 검출하고 할당된 저장영역에 시간 정보, 좌표정보와 함께 기록하며 수평유지신호를 출력하여 비행중 수평상태를 정밀하게 유지시키는 수평검출유지부(2080), 무인항공기제어부(2010)의 제어와 감시에 의하여 무인항공기(2000)의 비행중 수직 상태를 검출하고 할당된 저장영역에 기록하며 수직유지신호를 출력하여 비행 중 수직상태를 정밀하게 유지키시는 수직검출유지부(2090), 무인항공기제어부(2010)의 제어와 감시에 의하여 비행 동력을 출력하면서 수평검출유지부(2080)의 수평유지신호와 수직검출유지부(2090)의 수직유지신호를 각각 입력하고 비행 중 수평과 수직을 각각 정밀하게 유지시키는 동력을 출력하는 둘 이상 다수의 비행엔진으로 이루어지는 엔진모듈부(2100)를 더 포함하여 구성된다.

엔진모듈부(2100)를 구성하는 각 비행엔진은 전기에너지에 의하여 회전동작하는 스텝모터 또는 서버모터와 3 개 이상의 날개로 이루어지는 프로펠러를 포함하여 구성된다. 날개의 숫자는 많은 수록 소음이 없을 수 있으며 너무 많은 경우 관리 및 생산비용이 많이 소요되므로 4 개의 날개로 구성하는 것이 비교적 매우 바람직하다.

지하시설물고정기준국(3000)은 무인항공기(2000)가 방송하는 무인항공기위치정보를 무선 수신 분석하고 방위각이 포함되는 현재 위치에서의 지하시설물위치정보를 검출 확인하여 무인항공기(2000)에 회신한다.

지하시설물고정기준국(3000)은 지하시설물고정기준국(3000)의 전체 운용을 제어하고 감시하는 지하시설물제어부(3010), 지하시설물제어부(3010)의 제어와 감시에 의하여 무인항공기(2000)와 FM 방식으로 무선접속하고 방송되는 무인항공기위치정보를 수신하며 분석된 지하시설물위치정보를 회신으로 전송하는 제 3 통신부(3020), 지하시설물제어부(3010)의 제어와 감시에 의하여 지정길이태그막대부(4000)와 블루투스 방식으로 접속하고 지정길이태그막대부(4000)의 길이 값 정보와 지하시설물(5000)의 재질, 설치년월일, 공사기간, 관할부서, 시공자, 유지관리 정보, 담당자 정보, 지표면으로부터 매설된 깊이 등이 포함되는 지하시설물상세관리 정보를 수신하며 필요한 제어명령신호를 송신하는 제 4 통신부(3030), 지하시설물제어부(3010)의 제어와 감시에 의하여 길이 값 정보와 지하시설물상세관리 정보를 할당된 저장 영역에 기록하는 시설물정보모듈(3040)을 포함하는 구성이다.

지하시설물고정기준국(3000)은 무인항공기(2000)가 방송하는 무인항공기위치정보를 수신 분석하고 무인항공기(2000)와의 방위각(제 2 방위각)이 포함되는 현재 위치에서의 좌표정보에 해당하는 지하시설물위치정보를 검출 확인하여 무인항공기에 회신한다.

여기서 지하시설물고정기준국(3000)은 무인항공기(2000)가 방송한 무인항공기위치정보를 수신하여 분석하고 무인항공기(2000)를 기준으로 하여 지하시설물고정기준국(3000)이 동서남북의 어느 방향 값에 위치하고, 떨어져 있는 직선의 거리 값, 상하의 높낮이(고도 또는 해발)를 알 수 있는 각도(방위각 또는 제 2 방위각) 값이 얼마인지와 지하시설물고정기준국(3000)이 현재 위치하는 공간의 위도, 경도 및 해발 값 등이 각각 검출된다.

즉, 지하시설물고정기준국(3000)은 이와같이 검출된 값들을 무인항공기(2000)에 회신한다.

이때, 지하시설물고정기준국(3000)은 지하시설물(5000)의 상세정보(지하시설물상세관리정보)를 지정길이태그막대부(4000)로부터 수신하고 무인항공기(2000)에 회신하는 신호에 포함시켜 함께 전송하며, 이러한 지하시설물(5000)의 상세정보는 이하에서 다시 설명하기로 한다.

상시고정기준국(1000)과 무인항공기(2000)와 지하시설물고정기준국(3000) 사이에 방송하고 회신하는 캐리어(carrier) 신호는 잡음에 비교적 강한 FM 방식 무선신호를 사용하되 통신채널은 지정되고 공지된 하나 이상 다수 채널 중 선택된 어느 하나의 채널을 사용하는 것으로 설명한다.

여기서 필요에 의하여 캐리어(carrier) 신호를 잘 알려진 AM, CDMA, W-CDMA, TRS, SSB 방식 또는 충분히 알 수 있거나 연구개발 중인 방식의 신호 중에서 선택된 어느 하나 또는 혼합 방식으로 사용할 수 있음은 매우 당연하다.

지정길이태그막대부(4000)는 지정된 값의 길이로 형성되는 것으로, 일 실시 예에 의하여 2 내지 5 미터 범위의 길이 값으로 형성되고, 3 미터의 길이 값으로 형성되는 것이 비교적 바람직하다.

지정길이태그막대부(4000)는 일측 끝단에 지하시설물고정기준국(3000)을 탈부착이 가능하면서 고정된 상태로 설치하고 타측 끝단은 지중(지하)의 공사현장(5010)에 매설공사 중인 지하시설물(5000)의 상측면 일부분에 접촉시킨 상태로 설치하여 사용된다.

지정길이태그막대부(4000)는 블루투스 방식으로 무선접속하여 지정길이태그막대부(4000)의 지정길이 값 정보를 입력하고 할당된 비휘발성 저장 영역에 기록한다. 지정길이 값 정보는 지정길이태그막대부(4000)의 길이 값이며, 측량되는 지하시설물(5000)이 지하에 매설된 깊이 값을 보정해 주므로 측량된 위치정보의 신뢰성을 더욱 높일 수 있다.

또한, 지정길이태그막대부(4000)는 블루투스 방식으로 무선접속하여 지하시설물(5000)의 재질, 설치년월일, 공사기간, 관할부서, 시공자, 유지관리 정보, 담당자 정보, 지표면으로부터 매설된 깊이 등이 포함되는 지하시설물상세관리 정보를 입력하고 할당된 휘발성 저장 영역에 기록한다.

지하시설물상세관리 정보를 휘발성 저장 영역에 기록하는 것은 지하시설물 매설 공사현장(5010) 마다 해당 정보가 다르므로, 해당 공사현장(5010)에서 사용되는 경우 해당 지하시설물상세관리 정보를 기록하기 위함이다.

지하시설물(5000)은 현대 사회생활에 필요하고 지하에 매설되어 안전성을 확보하면서 지상 공간 활용도를 높이기 위한 수단으로써 송전과 배전을 위한 전기시설, 연료로 공급되는 가스시설, 상수도와 하수도를 위한 상하수도시설, 통신을 위한 케이블이 매설되는 통신시설, 오일 등을 배송하는 송유관시설 등이 포함된다.

지하시설물(5000)은 공사현장(5010)의 지하(지중)에 매설되며 매설된 시간이 경과하면서 노후, 지진과 충격과 공사 등에 의한 파손 등이 발생하는 경우 유지보수 또는 교체 등이 필요하다.

지하시설물(5000)은 유지보수, 교체 등이 필요한 경우 매설된 정확한 위치를 확인하여 발굴작업을 거쳐야 하지만, 지상의 지형변화 및 주변에 구조물(5020, 시설물 또는 건축물)이 공사, 건설되는 등의 경우 해당 위치를 정확하게 확인하기 어려운 것이 현실이다.

지하시설물(5000)의 정확한 매설 위치를 알지 못하는 상태에서 발굴작업을 진행하는 경우, 일 예로 포크레인 등을 이용한 발굴작업 과정에서 파손될 수 있고 파손되는 경우 손실이 발생하면서 해당 작업이 어려워지는 경우가 많이 있다.

따라서 지하시설물의 매설 위치를 정확하게 확인하는 기술의 개발이 필요하며 지하 시설물의 위치정보를 정확하게 측지측량으로 확인하는 것이 그 기술적사상이다.

측지측량의 방법(기법)에는 다양한 방식이 있고 일 예로, 다중기준국(N-RTK) 방식이 있으며, 다중 기준국(N-RTK) 측량기법은 VRS, PRS(Pseudo-Reference Station or MGRS ; Multi Grid Reference Station), i-MAX (Individualized Master-Auxiliary Corrections), FKP, MAC(Master- Auxiliary Corrections) 등이 있다.

각 측량기법별 제안자(시기), 기준국 자료원, 이동국용 보정값의 계산위치(AC : Analysis Center, 또는 rover), 통신방식 및 자료전송형식, 최소(실제)상시관측소 수, 이용자수의 제한 및 측량기법 별 특징 등을 요약하면 아래의 표 1 과 같다.

N-RTK 측량방식의 비교표

구분 측량방식	VRS	FKP	MAX(i-MAX)	PRS(or MGRS )
Proposer	Wanninger(1995)	Wu	Euler et al.(2001)	Varner and Cannon(1997)
Base data/ Correction computer	Virtual/Server	Real or Virtual/ Rover	Real or Virtual/Rover or Server	Virtual/Server
Communication	Two Way	One or Two Way	One or Two Way	Two Way
Correction data message format	CMR+(x)/RTCM	FKP+54/RTCM	RTCM3.1(2.3)	RTCM
Min. CORS (Real CORS)	3 sites (more than 4 sites)	3 sites (more than 4 sites)	3 sites (more than 4 sites)	3 sites (more than 4 sites)
Simultaneously logins	Limited	Non-limited(theory) Limited(two way)	Non-limited (theory)	Limited
Characteristics	Simulate the position of the VRS by geometrically	Inclined plane model(3P) for spatially correlated errors	The bandwidth required significantly higher than VRS	The pre-grided parameterization

4가지 N-RTK 기법의 공통사항으로 AC에서는 CORS 망 내 모든 상시관측소의 기본정보(좌표, 기준점간 거리 등), epoch별 모든 위성과 상시관측소 간 이중차분(DD : Double Difference) 관측자료의 분산 및 비분산 오차를 모형화하고 이동국의 위치에 대해 보간한다.

이때 CORS 망 내 모호정수의 수준(ambiguity level)은 동일해야 하는데 ‘동일수준’이란 특정 위성에 대한 두 상시관측소 위상자료의 단일차분(SD : Single Difference) 자료에 포함된 ‘실수형 모호정수 bias의 크기(모호정수에 대한 참값 계산값)’가 동일하다는 의미이다.

첨부된 도 5 는 N-RTK(다중기준국) 측량기법에서 서로 다른 수준의 오차면을 갖는 3개 상시관측소 관측망에서 특정점의 실제오차와 모델화한 거리종속오차 간의 관계를 나타낸 그래프도면으로 3 점을 연결한 삼각형은 N-RTK 측량기법에서 산출한 오차 보정면이다(El-Mowafy, 2012; Takac and Lienhart, 2008).

이동국이 기준국에서 멀어지면 실제오차(곡선)와 선형보정값(좌측그림의 삼각면/우측그림의 점선)간의 편차가 발생된다.

도면에서의 기호 δ는 차분방정식의 기선해석 오차이고, ε는 관측망 내 모델오차를 나타낸다.

AC(Analysis Center 또는 rover)에서는 다주파 GNSS 수신기로 구성된 CORS 망 내, 각 기준국으로 부터 전송된 기준국 자료의 품질관리(과대오차 및 Cycle slip 검출 등), 안테나 위상중심보정, 모호정수 해석, 관측망 조정, 오차모델링을 수행하며 또한, 사후처리 사용자를 위해 관측 자료를 DB화 한다.

특히, AC에서 이동국에 제공하는 전송정보는 N-RTK 운용기법에 따라 약간 차이는 있지만 VRS, PRS, i-MAX의 경우, 임의 기준국의 관측자료(가상 또는 실존)와 오차 보간계수, FKP 및 MAX는 CORS망 내 최단거리의 실존 기준국의 관측자료, 오차 보정면 계수 및 임의 기준국 군(Cluster)내 주국/보조국간 오차의 SD값 등이다.

AC에서 기준국의 오차가 계산되면 이동국에 적합한 거리종속오차를 보간하는데 다양한 모델(LCM : Linear Combination Method, LIM : Linear Interpolation Method, DIM : Distance-based Linear Interpolation Method, LSM : Low-order Surface Model, LSCM : Least Square Collocation 등)을 적용할 수 있다. 이중 LIM 및 LSM이 수학적으로 유사한 함수식, 실시간 응용에 적합하고 현재 N-RTK에 공통적으로 사용되고 있지만, Suqin et al.(2009)에 의하면 보정망의 형상, 기준국과 이동국간 거리, 위성조건(위성대수, PDOP) 및 다중경로 오차 등의 복합적 변수에 따라 LIM이 LSM에 비해 양호한 보간 결과가 제공됨을 발표한바 있으며 Al-Shaery et al.(2011)의 연구에서도 유사한 결과가 제시되었다. VRS, PRS 및 i-MAX는 RTK 해석을 위해 이동국 주변(VRS ; 수m, PRS ; 수km)에 가상의 기준국을 사용하므로 사용자입장에선 오차의 크기와 거동특성에 관한 정보가 없다. 반면 FKP와 MAC개념에 의한 MAX기법은 실제 기준국 관측 자료와 개별적인 오차(분산 및 비분산)의 크기 및 거동특성을 AC로부터 전송받아 사용자의 해석 SW가 이들을 어떻게 적용할지를 결정한다. FKP기법은 N-RTK 보정값을 LSM를 활용하여 각각의 위성에 대해 임의 기준국에 중심을 둔 2개의 보정평면(분산 및 비 분산 보정)과 평면의 경사를 매개변수로 나타낸다. 특히, 상시관측소간 고도차가 500 m 이하인 경우는 고도차에 의한 보간 영향이 미소하여 1 차 선형 면보정 모델을 활용한다(Suqin et al., 2009).

반면에 VRS기법에서는 LIM 또는 LCM 모델이 보정에 주로 활용되고 있다. FKP기법은 일 방향 통신 방식으로도 N-RTK실현이 가능하며 사용자수에 이론적으로는 제약이 없지만, 운영 서버와 통신망의 조건에 따라 동시 이용자수에 재한이 있게 된다.

현재 국토지리정보원에서는 양방향 통신방식을 활용하여 이동국에 가장 근접한 상시관측소를 자동 선별하고 기준국의 원 관측 자료와 산출된 면 보정계수를 이동국 사용자에게 실시간 제공하고 있다.

본 발명을 설명하면 지상의 건축물 또는 구조물(5020)이 다수 구비되어 있는 도심 지역 등에서는 공사현장에서 지하(지중)에 매설되는 지하시설물(5000)의 정확한 위치정보를 지리정보체계(GIS)로 제공하기 위하여서는 지하시설물(5000)의 위치정보를 정확하게 측량하여야 한다.

지리정보체계를 위하여 지하시설물(5000)를 측량하는 경우 국가의 기준이 되는 상시고정기준국(1000)이 제공하는 위치정보가 필요하고, 상시고정기준국(1000)은 무선으로 해당 위치정보를 제공한다.

상시고정기준국(1000)이 제공하는 해당 위치정보는 무선으로 제공되므로 방해물이 없는 직선거리 상에서 수신하는 것이 정밀도를 높이고, 건축물 또는 구조물(5020)이 다수 있는 도심 지역에서는 무인항공기(2000)를 이용하여 해당 위치정보를 중계받아야 되며, 무인항공기(2000)는 해당 위치정보를 오류없이 정확하게 중계하기 위하여 수직과 수평이 정밀하게 제어되어야 한다.

건축물 또는 구조물(5020)이 많은 도심 지역에 위치한 지하시설물(5000)의 상단에 설치된 지하시설물고정기준국(3000)은 무인항공기(2000)를 통하여 상시고정기준국(1000)이 제공하는 해당 위치정보를 중계받고 분석하여 자신의 정밀한 위치정보를 확인 한 값을 무인항공기(2000)에 회신한다.

이때, 지하시설물고정기준국(3000)은 지하시설물의 지하시설물상세관리 정보를 지정길이태그막대부(4000)로부터 지정된 길이 값 정보와 함께 수신하고, 지정된 길이 값 정보는 연산에 의하여 지하시설물(5000)이 어느 정도의 깊이에 매설되었는지의 정확성을 더욱 높이는데 사용되며, 연산된 지하시설물의 좌표정보는 지하시설물상세관리 정보와 함께 무인항공기(2000)에 회신된다.

무인항공기(2000)는 이동통신망을 통하여 지정된 상대방 또는 지리정보체계(GIS)를 관리하는 해당 서버와 실시간 접속하여 지하시설물의 위치정보를 갱신하게 된다.

따라서 구조물(5020)이 다수 있는 도심지역에서도 지하시설물의 위치정보를 정밀하게 측량하여 지리정보체계(GIS)를 갱신하는 장점이 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

900 : 실시간 송수신 방식 무인항공기를 활용한 지하시설물 데이터베이스 구축 시스템
1000 : 상시고정기준국 2000 ; 무인항공기
3000 : 지하시설물고정기준국 4000 : 기정길이태그막대부
5000 : 지하시설물 510 : 공사현장
5020 : 구조물

Claims

국가에서 관리하고 다수로 이루어지며 다중 기준국(N-RTK)을 형성하고 지피에스 인공위성 신호를 분석하여 각각 특정한 위치에서 국가의 표준이 되는 상시고정기준위치정보 신호를 무선으로 24 시간 방송하는 상시고정기준국;
상기 상시고정기준국과 방해물이 없는 직선거리의 공간을 비행하며 원격 무선조정제어신호에 의하여 지정된 공간에 정지상태로 체공하고 상기 상시고정기준위치정보 신호를 무선으로 수신 분석하여 방위각이 포함되는 현재 위치에서의 무인항공기위치정보를 검출 확인하며 확인된 무인항공기위치정보를 무선으로 방송하는 무인항공기;
상기 무인항공기가 방송하는 상기 무인항공기위치정보를 수신 분석하고 방위각이 포함되는 현재 위치에서의 지하시설물위치정보를 검출 확인하여 상기 무인항공기에 회신하는 지하시설물고정기준국; 및
상기 지하시설물고정기준국에 일측 끝단 부분이 연결 설치되고 지정길이 값으로 형성되며 지하에 매설되는 지하시설물과 지정길이 값의 타측 끝단 부분이 접촉되고 해당 제어명령신호에 의하여 상기 지정길이 값 정보와 지하시설물 상세관리정보를 입력하여 할당된 저장영역에 기록하며 상기 지하시설물고정기준국의 해당 요청명령신호에 의하여 블루투스 방식 무선신호로 상기 지하시설물고정기준국에 제공하는 지정길이태그막대부; 를 포함하되,
상기 지하시설물고정기준국은 블루투스 방식으로 상기 요청명령신호를 출력하여 상기 지정길이태그막대부에 저장된 상기 지정길이 값 정보와 상기 지하시설물 상세관리정보 신호를 블루투수 방식으로 무선 수신하고,
상기 지정길이태그막대부는 지정길이 값 정보를 비휘발성 상태로 할당된 저장영역에 기록하고 블루투스로 입력되는 제어명령신호에 의하여 상기 지하시설물 상세관리정보를 휘발성 상태로 할당된 저장영역에 기록하며 상기 지하시설물고정기준국의 요청명령 신호에 의하여 기록된 정보를 블루투스 방식 무선신호로 송신하며,
상기 무인항공기는
상기 무인항공기의 전체 운용을 제어하고 감지하는 무인항공기제어부;
상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 상기 상시고정기준국, 지하시설물고정기준국과 무선접속하여 통신하는 제 1 통신부;
상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 이동통신 방식으로 지정된 상대방과 무선접속하여 통신하는 제 2 통신부;
상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 상기 상시고정기준국이 전송한 상시고정기준위치정보를 입력하고 할당된 저장영역에 기록하며 분석하는 상시고정기준위치정보모듈;
상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 상기 상시고정기준위치정보모듈로부터 상기 상시고정기준위치정보를 입력하고 할당된 저장영역에 기록하며 분석하는 무인항공기위치정보모듈;
상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 상기 지하시설물고정기준국이 전송한 지하시설물위치정보를 입력하고 할당된 저장영역에 기록하며 분석하는 지하시설물상세관리정보모듈;
상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 상기 무인항공기의 비행중 수평 상태를 검출하여 할당된 저장영역에 기록하고 수평유지신호를 출력하는 수평검출유지부;
상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 상기 무인항공기의 비행중 수직 상태를 검출하여 할당된 저장영역에 기록하고 수직유지신호를 출력하는 수직검출유지부; 및
상기 무인항공기제어부의 제어와 감시에 의하여 비행 동력을 출력하면서 상기 수평검출유지부의 수평유지신호와 상기 수직검출유지부의 수직유지신호를 각각 입력하고 비행 중 수평과 수직을 각각 유지시키는 동력을 출력하는 둘 이상 다수의 비행엔진으로 이루어지는 엔진모듈부; 를 포함하는 실시간 송수신 방식 무인항공기를 활용한 지하시설물 데이터베이스 구축 시스템.