KR20160107819A - 비행체의 고도 산출 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비행체가 비행해야 할 경로가 주어졌을 때, 그 경로를 비행하기 위한 경로점에 대한 고도를 지형 및 비행체의 기동성을 근거로 산출하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 비행체의 고도 산출 방법은, 비행체가 비행할 2차원 경로에 경로점을 지정하고, 상기 경로점에 대한 미리결정된 비행오차를 반영한 최대지형고도를 미리 저장된 지형 정보로부터 추출하는 단계와; 상기 경로에 해당하는 지형으로부터 이격하고자 하는 미리설정된 고도를 상기 최대지형고도에 더한 값을 경로점 초기고도 값으로 설정하는 단계와; 상기 경로점 초기고도 값을 기준으로 상기 비행체의 비행시 비행궤적을 비행자세 시뮬레이터를 이용하여 생성하는 단계와; 상기 생성한 비행 궤적이 상기 지형과의 비충돌 조건 및 상기 비행체의 기동성 조건을 만족하는 상기 경로점의 고도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

비행체의 고도 산출 장치 및 그 방법{FLIGHT ALTITUDE COMPUTATION APPARATUS AND METHOD THEREOF}

본 발명은 비행체의 고도 설정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 비행체가 비행해야 할 경로가 주어졌을 때, 그 경로에 해당하는 지형과의 충돌을 회피하기 위해서 지형의 최대고도를 고려하여 모든 구간의 비행고도를 높이는 방향으로 진행할 수도 있으나, 이는 지형의 높은 지점 때문에 무조건 고고도로 비행체가 비행하여야 하는 단점이 있었다.

한국특허출원번호 제10-2010-0057849호

본 발명은 비행체가 비행해야 할 경로가 주어졌을 때, 그 경로를 비행하기 위한 경로점에 대한 고도를 지형 및 비행체의 기동성을 근거로 설정하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 비행체의 고도 산출 방법은,

비행체가 비행할 2차원 경로에 경로점을 지정하고, 상기 경로점에 대한 미리결정된 비행오차를 반영한 최대지형고도를 미리 저장된 지형 정보로부터 추출하는 단계와;

상기 경로에 해당하는 지형으로부터 이격하고자 하는 미리설정된 고도를 상기 최대지형고도에 더한 값을 경로점 초기고도 값으로 설정하는 단계와;

상기 경로점 초기고도 값을 기준으로 상기 비행체의 비행시 비행궤적을 비행자세 시뮬레이터를 이용하여 생성하는 단계와;

상기 생성한 비행 궤적이 상기 지형과의 비충돌 조건 및 상기 비행체의 기동성 조건을 만족하는 상기 경로점의 고도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 비행체의 고도 산출 장치는, 지형 정보를 저장하는 지형 정보 관리 모듈과; 비행체가 비행할 2차원 경로에 경로점을 지정하고, 상기 경로점에 대한 미리결정된 비행오차를 반영한 최대지형고도를 상기 저장된 지형 정보로부터 추출하고, 상기 경로에 해당하는 지형으로부터 이격하고자 하는 미리설정된 고도를 상기 최대지형고도에 더한 값을 경로점 초기고도 값으로 설정하는 비행고도 산출 모듈과;

상기 경로점 초기고도 값을 기준으로 상기 비행체의 비행시 비행궤적을 비행자세 시뮬레이터를 이용하여 생성하는 비행궤적 시뮬레이션 모듈을 포함하며, 상기 비행고도 산출 모듈은, 상기 생성한 비행 궤적이 상기 지형과의 비충돌 조건 및 상기 비행체의 기동성 조건을 만족하는 상기 경로점의 고도를 산출할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 비행체의 고도 산출 장치 및 그 방법은, 지형뿐만 아니라 비행체의 기동성을 고려하여 비행체의 경로에 해당하는 고도를 산출함으로써 고도 산출(설정)에 소요되는 시간을 획기적으로 단축할 수 있으며, 경로점 고도 산출을 자동화할 수 있다.

도 1은 비행 경로점 고도 산출 장치의 구성도이다.
도 2는 비행체 경로점 고도를 자동으로 산출하는 방법의 순서도이다.
도 3은 비행체의 비행오차를 반영한 최대지형고도를 추출하는 개념과 이 최대지형고도를 이용하여 경로점의 초기고도를 설정하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 4a-4b는 경로점 초기 고도의 이상유무를 탐색시 비행순서가 빠른 경로점부터 탐색하고 비행순서대로 경로점 고도를 설정하는 방법에 대한 개념도이다.
도 5는 경로점과 경로점 사이에 경로점 추가 및 경로점 추가로 수정된 비행고도를 반영하는 개념도이다.
도 6a-6f는 이격고도 최저 지점의 위치와 그 위치가 상승하강 구간이냐에 따른 6가지 경우에 따른 고도 설정 방법에 대한 예시도이다.
도 7은 비행 순서대로 경로점 계획을 완료하고, 다음 구간 고도계획에 의해 이전 구간의 종료 경로점 고도가 수정될 때, 그 이전 경로점과의 기동성을 확인하여 역방향으로 고도를 수정하는 과정을 나타낸 예시도이다.
도 8은 앞 뒤 경로점과의 관계에 의해 현재 경로점의 조정가능한 고도 범위을 나타낸 예시도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

일반적으로, 비행체의 비행 경로에 해당하는 경로점과 그 경로점의 고도를 각각 설정하여 지형의 굴곡을 감안한 상승/하강을 반복하도록 고도를 설정할 수도 있지만, 비행체는 상승/하강시 기동성의 한계가 있으므로 일정한 고도만큼 지형으로부터 이격하여 비행하도록 했을 때 지형의 굴곡이 기동성의 한계보다 크다면 비행이 불가능할 수도 있다. 따라서, 지형과 비행체의 기동성을 고려하여 고도를 산출할 필요가 있다.

이하에서는, 비행체가 비행해야 할 2차원 수평 경로점이 지정되어 있을 때, 지형을 고려하고, 비행체의 기동성에 문제없이 안전하게 비행할 수 있는 경로점의 고도를 자동으로 산출하는 고도 산출 장치 및 그 방법을 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한다.

도 1은 비행 경로점 고도 산출 장치의 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 비행 경로점의 고도를 산출하는 장치는, 비행체가 비행해야 할 2차원 수평 경로점이 설정되어 있을 때 비행체가 지형과의 충돌이 없고, 상기 비행체의 기동에 문제없이 안전하게 비행할 수 있는 비행 고도를 자동으로 산출한다.

상기 비행 경로점의 고도를 산출하는 시스템은, 지형 정보를 저장하는 지형 정보 관리(저장) 모듈(10), 비행고도 산출 모듈(20), 비행궤적 시뮬레이션 모듈(30)을 포함한다.

도 2는 비행체 경로점 고도를 자동으로 산출하는 방법의 순서도이다.

먼저, 비행고도 산출 모듈(20)은 비행체가 비행할 경로(2차원 경로 또는 궤적)에 경로점(경로점 위치)이 지정되었을 때, 그 경로점에 대한 미리결정된 비행오차를 반영한 최대지형고도를 상기 지형 정보 관리 모듈(10)에 저장된 지형 정보로부터 추출한다(S11).

도 3은 비행체의 비행오차를 반영한 최대지형고도를 추출하는 개념과 이 최대지형고도를 이용하여 경로점의 초기고도를 설정하는 방법을 나타낸 개념도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 상기 비행 오차의 범위는 비행체의 성능과 지형모델 오차에 따라 미리 모델링되는 값이다.

비행고도 산출 모듈(20)은 상기 경로에 해당하는 지형으로부터 이격하고자 하는 미리설정된 고도(이격 고도)를 상기 최대지형고도에 더한 값을 경로점 초기고도 값으로 설정한다(S12).

비행궤적 시뮬레이션 모듈(30)은 상기 경로점 초기고도 값을 기준으로 비행체의 비행시 비행궤적 x, y, z(위도, 경도, 고도) 값을 비행자세 시뮬레이터를 이용하여 생성(추출)하고(S13), 그 추출한 비행 궤적을 상기 비행고도 산출 모듈(20)에 출력한다.

비행고도 산출 모듈(20)은 상기 생성한 비행 궤적이 상기 지형과의 비충돌 조건 및 상기 비행체의 기동성 조건을 만족하도록 하는 상기 경로점의 고도를 산출한다(S14).

비행고도 산출 모듈(20)은 상기 산출된 고도를 상기 생성한 비행 궤적에 반영함으로써 최종 비행 궤적을 추출할 수도 있다. 비행고도 산출 모듈(20)은 상기 추출한 비행 궤적이 상기 지형과의 비충돌 조건 및 상기 비행체의 기동성 조건에 만족하면, 상기 추출한 비행 궤적을 상기 최종 비행 궤적으로서 설정(저장)할 수도 있다.

비행고도 산출 모듈(20)은 상기 생성된 비행궤적과 최대지형고도를 비교하여 원하는 이격고도 불만족 구간이 있는지 확인(결정)한다. 이때, 비행고도 산출 모듈(20)은 제1 경로점과 제2 경로점을 비행하는 궤적을 하나의 구간으로 나누어 구간별로 확인하고, 도 4a-4b와 같이 비행순서대로 탐색을 진행한다.

도 4a-4b는 경로점 초기 고도의 이상유무를 탐색시 비행순서가 빠른 경로점부터 탐색하고 비행순서대로 경로점 고도를 설정하는 방법에 대한 개념도로서, 비행순서에 따라 비행구간별로 나뉘어 고도를 계획하는 개념도이다.

상기 이격고도를 미확보하면서 이격고도가 가장 작은 위치를 도 5와 같은 개념으로 탐색할 수도 있다.

도 5는 경로점과 경로점 사이에 경로점 추가 및 경로점 추가로 수정된 비행고도를 반영하는 개념도이다.

미확보되는 지점이 있을 때 다음 방법으로 이격고도가 확보될 수도 있다.

비행고도 산출 모듈(20)은 상기 이격고도의 최저 지점에 경로점을 추가할 수 있는지 확인(경로점간 거리조건 만족)하여 경로점 추가가 가능하다면 경로점을 추가하고, 이때 고도는 최대지형고도에 미리설정된(또는 설계자가 원하는) 이격고도를 더한 값으로 설정하여 새로 생성될 비행궤적을 산출하고(1번 절차) 2번 절차를 수행한다. 상기 경로점 추가가 불가능하다면 2번 절차를 바로 수행한다.

비행고도 산출 모듈(20)은, 도 6a-6f와 같이 구간 내에 이격고도 미확보 지점 중 이격고도가 최저인 지점의 위치를 세 지점으로 분류하고, 구간이 상승하는 구간인지 하강하는 구간인지에 따라 구간 시작 경로점과 구간 종료 경로점의 고도를 조정할 수도 있다(2번 절차). 그 경우의 수는 이격고도 불만족 구간의 위치와 상승/하강 비행구간의 조합인 6가지 경우(

)로 나누어 조정할 수도 있다. 여기서,

는 i번째 경로점,

는 비행하고자 하는 이격고도,

는 i번째 경로점의 비행고도,

는 i+1번째 경로점의 비행고도,

는 최저 이격고도점의 비행고도,

는 최대지형고도를 각각 의미한다.

도 6a-6f는 이격고도 최저 지점의 위치와 그 위치가 상승하강 구간이냐에 따른 6가지 경우에 따른 고도 설정 방법에 대한 예시도이다.

비행고도 산출 모듈(20)은, 하강구간, 구간 시작 후 1/3 이내에 최저이격고도점이 있는 경우, 비행하고자 하는 이격고도를 만족하기 위해 필요한

만큼 구간시작점과 구간 종료점의 고도에

를 더할 수 있다.

는 수학식 1을 통해 구할 수 있다.

[수학식 1]

,

이때,

는 i번째 경로점의 비행고도(

)가 수정된 이 후의 비행고도를 나타낸다.

비행고도 산출 모듈(20)은, 하강구간, 구간 시작 후 1/3 이후 2/3 지점에 최저이격고도점이 있는 경우, 최저이격고도점이 이격고도를 만족하는 최저고도와 구간 시작, 종료 경로점 고도 중에서 가장 큰 고도값을 구간 시작 경로점 고도와 종료 경로점 고도로 결정한다. 구간 시작점과 구간 종료점의 고도를 수학식 2와 같이 변경한다.

[수학식 2]

이때,

는 최저 이격고도점의 비행고도(

)에

값이 더해져서 최저 이격고도점의 고도가 수정된 후의 비행고도를 나타낸다.

비행고도 산출 모듈(20)은, 하강구간, 구간 시작 후 2/3 비행 이후에 최저이격고도점이 있는 경우, 구간 종료점의 고도만 다음 고도값으로 상승시킨다. 비행고도 산출 모듈(20)은, 이격고도를 만족하기 위한 비행궤적 기울기를 수학식 3을 통해 산출할 수도 있다.

[수학식 3]

;

여기서,

는 최저 이격고도 지점의 거리,

는 구간시작점의 거리를 나타낸다. dD는

과

의 차이 즉, 구간시작 지점과 최저 이격고도 지점의 거리를 나타낸다. dH는 구간시작 지점의 비행고도와 최저 이격고도 지점에서의 비행고도 차이를 나타낸다.

는 최저 이격고도점의 비행고도(

)가 고도값 조정 방법에 의해 수정된 이 후의 비행고도 값을 나타낸다.

비행고도 산출 모듈(20)은, 상승구간, 구간 시작 후 2/3 이후에 최저이격고도점이 있는 경우, 구간 시작점과 종료점을 수학식 4를 통해 변경할 수도 있다.

[수학식 4]

,

,

비행고도 산출 모듈(20)은, 상승구간, 구간 시작 후 중간 지점에 최저이격고도점이 있는 경우, 구간 시작점과 종료점을 수학식 5를 통해 변경할 수도 있다.

[수학식 5]

비행고도 산출 모듈(20)은, 상승구간, 구간 시작 후 1/3 이내에 최저이격고도점이 있는 경우, 구간 시작점을 수학식 6을 통해 변경할 수도 있다.

[수학식 6]

,

여기서,

는 최저 이격고도 지점의 거리,

는 구간 종료점의 거리를 나타낸다.

비행고도 산출 모듈(20)은, 2번 절차에서 상기 구간시작점의 고도

를 변경하는 경우에는 도 7과 같이 그 이전 경로점(

) 및 고도(

)에서 수정된 경로점(

) 및 고도(

)로 비행체가 기동(상승 또는 하강)이 가능한지를 확인한다(3번 절차).

도 7은 비행 순서대로 경로점 계획을 완료하고, 다음 구간 고도계획에 의해 이전 구간의 종료 경로점 고도가 수정될 때, 그 이전 경로점과의 기동성을 확인하여 역방향으로 고도를 수정하는 과정을 나타낸 예시도이다. 이는 종료 경로점의 고도를 변경할 수 없는 고정 고도일 경우에는 고정고도를 기준으로 역방향으로 경로점의 고도를 재설정함으로써 비행체의 기동성을 확보하는 개념도이다.

비행고도 산출 모듈(20)은, 상기 비행체의 기동이 가능하면

과

구간에 대해 1번 절차부터

과

경로점 구간에서 고도계획한 것과 동일한 방법으로 수행할 수도 있다. 비행고도 산출 모듈(20)은, 상기 비행체의 기동이 불가능하다면 4번 절차를 수행한다.

비행고도 산출 모듈(20)은,

으로 기동이 가능한 고도로

고도를 높인다(4번 절차).

고도가 변경되었으므로 3번 절차를 동일하게 수행한다. 즉,

고도에서

고도로 기동이 가능한지 확인한다. 이렇게 도 6a-6f와 같이 역방향으로 기동성이 확보되어 더 이상 이전 경로점의 고도를 수정할 필요가 없을 때

까지 반복한다.

비행고도 산출 모듈(20)은, 이전 경로점의 고도를 수정할 필요가 없으면

과 구간의 고도 산출이 종료되었으므로

과

구간에 대해 1번 절차부터 동일한 방법으로 고도산출을 수행한다. 비행고도 산출 모듈(20)은, 기동성을 확인할 때는 도 8과 같이 앞뒤 경로점과의 거리에 따른 상승하강 가능 고도에 따라 그 범위를 결정할 수도 있다.

도 8은 앞 뒤 경로점과의 관계에 의해 현재 경로점의 조정가능한 고도 범위을 나타낸 예시도이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 특정 경로점의 고도는 비행체의 기동력인 앞뒤 경로점과의 거리에 따른 상승하강 가능 고도에 따라 그 범위 내에 존재해야 한다. 앞 경로점과의 관계에 의해 수정할 수 있는 범위와 뒤 경로점과의 관계에 의해 수정할 수 있는 범위의 공통된 범위 내에서 고도가 결정되도록 한다. 3번 및 4번 절차에 있어서, 비행반대 방향으로 경로점 고도를 조정해야하는 경우에는 경로점과 경로점을 잇는 직선 구간에 최대 기동으로 상승 또는 하강할 수 있는 경로점을 도 5와 같이 추가함으로써 다음 경로점 고도를 수정할 필요가 없다면 경로점을 추가함으로써 고도를 수정하는 것을 전후 경로점에 전파되지 않도록 한다.

구간별 이격고도를 만족하도록 고도를 계획하는 과정에서 구간 종료 경로점의 고도를 수정할 수 없는 고정값이어야 하는 경우에는 종료 경로점 고도를 기준으로 이전 경로점의 고도를 수정하고 3번과 4번 절차를 수행한다. 즉, 도 7과 같이 역 방향으로 고정고도를 기준으로 이전 경로점 값을 재조정한다.

위의 비행순서에 따른 고도계획과 비행 역 방향으로의 고도계획, 경로점 추가 방법에 의해서도 지형충돌이나 기동성 조건에 불만족하는 구간이 있다면 이는 2차원 궤적, 즉 경로점이 놓인 위치의 수정이 필요한 경우로 고도계획이 불가능한 경우이므로 2차원 궤적을 수정하도록 한다.

종래에는 수평 경로점에 대한 고도값을 수동으로 예측하여 선정하고 모의시험을 통해 재수정하는 수차례의 반복 과정을 거쳐 경로점 고도가 설정되었다. 특히, 지형이 복잡하고 경로점이 다수일 경우에는 경로점 하나를 수정할 경우 앞 뒤 경로점과의 관계를 사람이 직관적으로 파악하기가 힘들었다. 또한, 복잡한 지형을 비행시 경로점의 고도를 각각 다르게 설정하기 위해서는 계획자의 상당한 시간과 노력이 소요되었다. 반면, 본 발명에 따른 비행체의 고도 산출 장치 및 그 방법은, 지형뿐만 아니라 비행체의 기동성을 고려하여 비행체의 경로에 해당하는 고도를 산출함으로써 고도 산출(설정)에 소요되는 시간을 획기적으로 단축하였으며, 경로점 고도 산출을 자동화하게 되었다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 비행체가 비행할 2차원 경로에 경로점을 지정하고, 상기 경로점에 대한 미리결정된 비행오차를 반영한 최대지형고도를 미리 저장된 지형 정보로부터 추출하는 단계와;
   상기 경로에 해당하는 지형으로부터 이격하고자 하는 미리설정된 고도를 상기 최대지형고도에 더한 값을 경로점 초기고도 값으로 설정하는 단계와;
   상기 경로점 초기고도 값을 기준으로 상기 비행체의 비행시 비행궤적을 비행자세 시뮬레이터를 이용하여 생성하는 단계와;
   상기 생성한 비행 궤적이 상기 지형과의 비충돌 조건 및 상기 비행체의 기동성 조건을 만족하는 상기 경로점의 고도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 고도 산출 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 산출된 고도를 상기 생성한 비행 궤적에 반영함으로써 최종 비행 궤적을 추출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체의 고도 산출 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 비행 오차는 상기 비행체의 성능과 지형 모델 오차에 따라 미리 모델링되는 값인 것을 특징으로 하는 비행체의 고도 산출 방법.
4. 지형 정보를 저장하는 지형 정보 관리 모듈과;
   비행체가 비행할 2차원 경로에 경로점을 지정하고, 상기 경로점에 대한 미리결정된 비행오차를 반영한 최대지형고도를 상기 저장된 지형 정보로부터 추출하고, 상기 경로에 해당하는 지형으로부터 이격하고자 하는 미리설정된 고도를 상기 최대지형고도에 더한 값을 경로점 초기고도 값으로 설정하는 비행고도 산출 모듈과;
   상기 경로점 초기고도 값을 기준으로 상기 비행체의 비행시 비행궤적을 비행자세 시뮬레이터를 이용하여 생성하는 비행궤적 시뮬레이션 모듈을 포함하며,
   상기 비행고도 산출 모듈은, 상기 생성한 비행 궤적이 상기 지형과의 비충돌 조건 및 상기 비행체의 기동성 조건을 만족하는 상기 경로점의 고도를 산출하는 것을 특징으로 하는 비행체의 고도 산출 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 비행고도 산출 모듈은,
   상기 산출된 고도를 상기 생성한 비행 궤적에 반영함으로써 최종 비행 궤적을 추출하는 것을 특징으로 하는 비행체의 고도 산출 장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 비행 오차는 상기 비행체의 성능과 지형 모델 오차에 따라 미리 모델링되는 값인 것을 특징으로 하는 비행체의 고도 산출 장치.

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