KR20160116019A - 항법 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

천체의 위치 판정에 사용하기 위한 방법으로서, 제1 편광 방향을 갖는 필터 셀 및 상기 제1 편광 방향과 상이한 제2 편광 방향을 갖는 필터 셀을 포함하는 적어도 두 개의 편광 필터 셀 어레이를 통과하도록 주변광을 지향하는 단계; 적어도 두 개의 광 센서 엘리먼트를 포함하는 광 센서 유닛에 의하여 상기 제1 및 제2 편광 방향의 상기 적어도 두 개의 필터 셀을 통과하는 광 성분을 탐지하고, 상기 탐지된 광 성분의 강도에 있어서의 차이를 탐지하여 상기 주변 광의 편광 패턴을 나타내는 탐지 데이터를 산출하는 단계; 및 상기 편광 패턴을 나타내는 데이터를 프로세싱하고, 상기 천체의 방위각 및 고도 중 적어도 하나를 확인하는 단계를 포함하는 천체의 위치 판정에 사용하기 위한 방법이 개시된다.

Description

항법 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR NAVIGATION}
본 발명은 항법 장치 및 방법에 관한 것이다.
태양의 움직임을 기초로 하는 간단하고 정밀한 지리적 포지셔닝은 오래동안 항법 기기의 목표였다. 마찬가지로, GPS로부터 사용할 수 있는 몇몇 경우에 '진북'의 신속하고 신뢰할 수 있는 고정(fix)은 공학, 군사, 토지 측량, 항공, 스포츠 및 해양 용도를 위해 지루하고 시간이 소비되는 일로 남아 있다. 태양 복사선과 대기 조건의 탐지는 오래동안 기후 예측과 그린 에너지 산업의 목표였다. 마찬가지로 몇몇 경우에, 예컨대, 액티브 레이저 기기에 의해 제공될 수 있는 태양 복사선과 대기 입자의 신속하고 저비용의 측정은 기후학 및 녹색 에너지 공학에 대하여 비싸고 시간 소비적인 일로 남아 있다.
항법 데이터를 보다 편리하고 정확하게 계산하는 장치 및 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 하나의 장치를 제공하는데, 본 장치는 하나의 어레이의 편광 필터 셀을 포함할 수 있고, 각각의 셀은 제1 편광 방향을 가진 제1 편광 필터, 및 제2 편광 방향을 가진 제2 편광 필터를 포함할 수 있고, 상기 제1 편광 방향은 제2 편광 방향과 상이하다. 이러한 필터 셀들은 동심의 링으로 배열될 수 있다.
본 장치는 또한 상기 편광 필터 어레이 상으로 광을 지향시키기 위한 광학 시스템, 및 상기 제1 편광 필터를 통해 수신되는 광으로부터 데이터를 산출하기 위한 제1 광 센서 및 상기 제2 편광 필터를 통해 수신되는 광으로부터 데이터를 산출하기 위한 제2 광 센서를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 광 센서는 하나의 어레이의 광 센서 내에 포함될 수 있고, 각각의 편광 필터와 병치된 적어도 하나의 광 센서를 가진다.
몇몇 실시예에 따라, 본 장치는 상기 데이터를 기초로 편광 패턴을 도출하기 위한 프로세싱 유닛을 더 포함할 수 있다. 프로세싱 유닛은 상기 제1 편광 필터를 통해 수신된 광 강도와 상기 제2 편광 필터를 통해 수신된 광 강도 간의 차이를 측정함으로써 적어도 하나의 편광 강도 및 방향을 계산하고, 상기 계산을 기초로 상기 편광 패턴을 도출하기 위한 것일 수 있다. 프로세싱 유닛은 상기 편광 패턴을 기초로 천체의 위치 데이터, 예컨대, 천체의 방위각(azimuth)과 고도(elevation) 중 적어도 하나를 계산하기 위한 것일 수 있다. 프로세싱 유닛은 상기 천체의 위치 데이터를 기초로 항법 데이터를 계산하기 위한 것일 수 있다. 프로세싱 유닛은 메모리에 저장된 보충 데이터를 더 기초로 하여 항법 데이터를 계산할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 장치는 상기 광학 시스템에 의해 지향된 광으로부터 적어도 하나의 파장 대역을 분리시키기 위한 파장 분리기를 더 포함할 수 있다. 장치 내의 프로세서 유닛은 파장 분리기에 의해 분리된 적어도 하나의 파장 대역 내의 하나의 패턴의 편광된 광을 계산할 수 있다. 파장 분리기는 적어도 하나의 색상 필터 그룹으로 배열된 하나의 어레이의 색상 필터를 포함할 수 있는데, 각각의 그룹은 편광 필터와 병치되어 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따라, 본 장치는 태양 경로표, 천문 차트, 달력 차트, 천체표, 시간 기준, 천공광(skylight) 편광 차트, 진북, 자북, 및 도북의 보정 차트를 포함하는 적어도 하나의 리스트의 보충 데이터를 저장하는 메모리를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 몇몇 실시예에 따라, 본 장치는 상기 장치의 경사를 탐지하는 경사계를 포함할 수 있다.
부가적으로, 본 발명의 실시예는 하나의 방법을 제공할 수 있는데, 본 방법은 하나의 어레이의 편광 필터 셀로 광을 지향시키는 단계를 포함하고, 각각의 셀은 제1 편광 방향을 가진 제1 편광 필터 및 상기 제1 편광 방향과 상이한 제2 편광 방향을 가진 제2 편광 필터를 포함할 수 있다. 제2 편광 방향은 상기 제1 편광 방향에 실질적으로 수직이다.
본 방법은 또한 제1 광 센서에 의해 상기 제1 편광 필터를 통해, 그리고 제2 광 센서에 의해 상기 제2 편광 필터를 통해 수신되는 광으로부터 데이터를 산출하는 단계, 및 상기 데이터를 기초로 편광 패턴을 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에 따라, 본 발명은 상기 제1 편광 필터를 통해 수신된 광 강도와 상기 제2 편광 필터를 통해 수신된 광 강도 간의 차이를 측정함으로써 편광의 강도 및 방향 중 적어도 하나를 계산하는 단계, 및 상기 계산을 기초로 상기 편광 패턴을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따라, 본 방법은 상기 지향된 광으로부터의 적어도 하나의 파장 대역을 분리시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 편광 패턴의 계산은 적어도 하나의 분리된 파장 대역 내에 있을 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따라, 본 방법은 상기 장치의 경사를 탐지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따라, 본 방법은 상기 편광 패턴을 기초로 천체의 위치 데이터를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 위치 데이터는 상기 천체의 방위각 및 고도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따라, 본 방법은 상기 천체의 위치 데이터를 기초로 항법 데이터를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에 따라, 항법 데이터의 계산은 메모리 내에 저장된 보충 데이터를 더 기초로 할 수 있다.
보다 편리하고 정확하게 항법 데이터를 계산할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 관한 주제는 명세서의 결론부에 특별하게 지적되어 있고 분명하게 청구되어 있다. 그러나, 본 발명의 목적, 특징, 및 장점과 함께, 본 발명의 조직 및 동작 방법은 첨부된 도면과 함께 아래의 상세한 설명을 참조하여 읽음으로써 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 항법 장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 하나의 예시적인 편광기의 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 편광 탐지 유닛의 부분적인 도면이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 프로세싱 유닛에 의해 도출될 수 있는 편광 패턴의 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 항법 방법을 설명하는 개략적인 플로우차트이다.
설명의 간편함과 명료함을 위해 도면에 도시된 엘리먼트는 반드시 축척에 따라 도시되지는 않았음을 이해해야 한다. 예를 들어, 몇몇 엘리먼트의 치수는 명료함을 위해 다른 엘리먼트에 비하여 과장될 수 있다. 또한, 적절하다고 간주되는 경우, 참조번호는 대응하는 또는 유사한 엘리먼트를 지시하기 위해 도면간에 반복될 수 있다.
아래의 상세한 설명에서, 다수의 특정한 세부사항들이 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 나열된다. 그러나, 본 발명이 이러한 특정한 세부사항 없이 실시될 수 있음을 당업자들은 이해될 것이다. 다른 경우에, 주지된 방법, 프로시저, 및 컴포넌트들은 본 발명을 모호하게 하지 않기 위해 상세하게 설명되지 않는다.
이제 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 항법 장치(10)의 개략적인 단면도인 도 1을 참조한다. 장치(10)는 광학 시스템(110), 편광기(120), 광 센서(220), 및 프로세싱 유닛(200)을 포함할 수 있다.
광학 시스템(110)은 편광기(120) 상으로 광을 지향시키고 그리고/또는 포커싱할 수 있다. 광학 시스템(110)은, 예컨대, 렌즈, 렌즈렛 어레이, 마이크로-렌즈, 핀홀, 광섬유, 웨이브가이드, 또는 다른 적합한 광학 엘리먼트와 같은 하나 또는 복수의 광학 엘리먼트를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 장치(10)는 광학 엘리먼트 및/또는 포커스 시스템을 이동시키는 광학 줌을 더 포함할 수 있다.
편광기(120)는 (도 2에 도시된) 하나의 어레이의 편광 필터를 포함할 수 있다. 편광기(120)는 편광기(120)의 설계에 부합하는 방향으로 선형으로 편광된 광 성분을 통과시킬 수 있고, 실질적으로 모든 또는 다른 각도의 편광을 차단한다. 편광기(120)를 통과한 편광은 광의 방향 및 편광 강도의 패턴을 생성할 수 있고, 이는 광 센서(220) 상으로 반사될 수 있다. 본 명세서의 목적을 위해, 용어 "패턴"은 백터 값, 맵 스캐일, 또는 용어 "패턴"의 임의의 다른 종래의 의미를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
광학 시스템(110)이 천공광(즉 태양과 같은 천체에서 발생된 및/또는 지구를 향해 대기에 의해 반사되거나 산란된 방사선) 또는 지구광(지면으로부터 반사되고 그리고/또는 산란된 천공광)을 편광기(120) 상으로 지향시키고 그리고/또는 포커싱할 때, 편광 패턴은 장치(10)에 의해 항법 데이터를 획득하는 것을 가능하게 할 수 있다.
광 센서(220)는, 예컨대, 이미지 센서를 포함할 수 있다. 광 센서(220)는 하나의 어레이의 아발란치 포토다이오드(APD), 전하결합소자(CCD), 상보형 금속 산화막 반도체(CMOS), 액티브 픽셀 센서(APS), 또는 다른 적합한 광 센서와 같은, 광 신호를 전기 신호로 변환하는 하나의 어레이의 광 센서 셀을 포함할 수 있다. 광 센서(220)는 데이터, 예컨대, 이미지 데이터 또는 수신된 광과 관련된 다른 데이터를 산출하고, 산출된 데이터를 기초로 하는 데이터를 기록하고, 분석하고, 프로세싱하고, 저장하고, 압축하고, 전송하고, 재구성하고, 변환하고, 그리고/또는 도출할 수 있는 프로세싱 유닛(200)으로 그 데이터를 전송할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 산출된 데이터는 광 강도, 하나의 방향의 편광된 광 강도, 또는 이미지를 생성하는데 충분하지 않을 수 있는 다른 제한된 정보에 대한 예시적인 데이터에 대한 이미지를 포함하지 않을 수도 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
편광기(120)는, 예컨대, 실질적으로 서로 수직으로, 또는 다른 구별가능한 각도로 대응하는 2개의 상이한 편광 방향을 가진 (도 3에 도시된 바와 같은) 두 종류 이상의 편광 필터를 포함할 수 있다. 편광기(120)를 통과하여 편광된 광은 광 센서(220) 상으로 프로젝팅된 광의 일정한 패턴의 편광 강도 및/또는 방향을 형성할 수 있다. 광 센서(220)에 의해 산출된 데이터를 기초로 하여 프로세싱 유닛(200)은 광 센서(220) 상의 상이한 영역에 의해 흡수되는 편광된 광의 편광의 방향 및/또는 강도를 계산할 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 유닛(200)은 광 센서(220) 상의 각각 2개 이상의 상이한 영역에 의해 2개의 상이한 종류의 편광 필터를 통해 수신된 광 강도 간의 차이를 측정함으로써 편광의 방향 및/또는 강도를 계산하여, 예컨대, 편광 패턴을 도출할 수 있다. 편광 패턴을 기초로 프로세싱 유닛(200)은, 예컨대, 시간, 진북, 위치, 방향, 및/또는 다른 유용한 데이터와 같은 항법 데이터를 획득할 수 있다. 프로세싱 유닛(200)은, 예컨대, 하나 이상의 유도된 편광 패턴을 기초로 태양, 별, 또는 달과 같은 천체의 위치를 판정함으로써 항법 데이터를 획득할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 장치(10)는 편광기(120) 상으로 광학 시스템(110)이 천공광을 지향하고 그리고/또는 포커싱할 수 있도록 지향될 수 있다. 장치(10)는 예컨대, 시계, 헬멧, 선글라스, 휴대용 디바이스, 자동차, 맵핑 및/또는 측량 기계, 통신 및/또는 타임키핑 하드웨어, 또는 임의의 다른 적합한 플랫폼과 같은 직접적인 플랫폼 상에 설치될 수 있다. 광학 시스템(110)은, 예컨대, 하늘의 전체 시야를 편광기(120) 상으로 지향하고 그리고/또는 포커싱하기 위해 그리고/또는 위치 및 항법 데이터의 획득을 용이하게 하기 위해 천정(zenith)을 향해 지향될 수 있다. 대안으로서, 예컨대 항공기 용도의 경우에, 광학 시스템(110)은 항공기 플랫폼의 아래 및/또는 위쪽의 천저(nadir)를 향해 지향되어, 예컨대, 지면으로부터의 천공광의 반사 및/또는 산란을 편광기(120) 상으로 지향하고 그리고/또는 포커싱할 수 있다. 대안으로서 또는 부가적으로, 몇몇 실시예에서 장치(10)는 장치(10)의 공간 내의 방향, 및/또는 장치(10)의 공간 내의 가속도, 속도, 및/또는 이동 거리와 같은 동작 정보를 형성하기 위해, 예컨대, 위성 항법 시스템(GPS), 관성측정장치(IMU), 가속도계, 자이로미터, 경사계, 자기 컴퍼스, 고도계, 속도계, 임의의 다른 적합한 센서와 같은 적어도 하나의 방향 센서를 포함할 수 있는 센서 모듈(240)을 포함할 수 있다. 방향의 수립은 6 자유도의 방위(bearing)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 기계적, 전기적, 광학적, 및/또는 시각적 오도미터(odometer) 센서와 같은 외부 방향 센서가, 예컨대, 장치(10)가 이동하는 차량에 부착되어 천정-천저 백터와 나란한 회전축을 가진 샤프트 인코더 상에서 회전할 때 사용될 수 있다. 프로세싱 유닛(200)은 광 센서(220)로부터 수신된 데이터를 기초로 항법 데이터를 계산할 때 공간 내의 장치(10)의 방향을 보상하기 위해 장치(10)의 감지된 방향 및/또는 동작 정보를 사용할 수 있다. 예를 들어, 장치(10)의 경사가 천정 또는 천저를 향해 지향되는 것으로부터 도출되는 경우에, 프로세싱 유닛(200)은 천체의 위치를 계산할 때 및/또는 추측 항법(dead reckoning) 계산을 프로세싱할 때, 즉, 이전에 결정된 위치를 기초로 현재 위치를 추정할 때 도출된 경사를 보상할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 장치(10)는, 예컨대, 물 아래의 천공광을 수신하고 앞서 상세하게 설명된 바와 같이 천공광의 편광 패턴을 분석함으로써, 물 아래에서 사용될 수 있다.
광 센서(220)로부터 수신된 데이터와 더불어, 프로세싱 유닛(200)은 항법 데이터를 계산하기 위해 보충 데이터를 사용할 수 있다. 보충 데이터는, 예컨대, 태양 경로표, 천문 차트, 달력 차트, 천체표, 시간 기준, 천공광 편광 차트, 진북, 자북, 및 도북의 보정 차트, 및/또는 프로세싱 유닛(200)에 의한 항법 데이터의 계산을 용이하게 할 수 있는 임의의 다른 데이터와 같은 항법 및/또는 천문학적 데이터를 포함할 수 있다. 보충 데이터는, 예컨대, 장치(10) 외부의 소스로부터 프로세싱 유닛(200)에 의해 수신될 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로서, 프로세싱 유닛(200)은 내부 메모리 및/또는 보충 데이터를 저장할 수 있는 장치(10)에 포함되거나 연결되어 있는 메모리로부터 보충 데이터를 수신할 수 있다.
프로세싱 유닛(200)은 천공광 또는 지구광의 도출된 편광 패턴을 기초로 태양, 별, 또는 달과 같은 천체의 위치를 판정할 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 유닛(200)은 도출된 편광 패턴을 기초로, 천체, 예컨대, 태양 또는 달의, 예컨대, 방위각 및/또는 고도와 같은 임의의 천체 좌표 내의 천체의 위치를 판정할 수 있다. 프로세싱 유닛(200)은 천체의 판정된 위치를 천체의 경로표 및 날짜 및/또는 시간 데이터와 결합함으로써, 예컨대, 진북을 추론할 수 있다. 날짜 및 시간 데이터는, 예컨대, 클록, 실시간 컴퓨터 클록, 클록 오실레이터, 및/또는 기계적, 전기적, 광학적, 및/또는 원자력 크로노미터(chronometer)와 같은 타임키핑 디바이스를 포함할 수 있는, 장치(10)의 외부 소스로부터, 또는 센서 모듈(240)로부터 프로세싱 유닛(200)에 의해 수신될 수 있다. 천체의 경로표는, 예컨대, 연중 상이한 시간 및 글로벌 위치에서, 천체의 일 경로, 예컨대, 하루동안의 태양의 고도 및 방위각을 포함할 수 있다.
천체의 경로표, 날짜 정보, 및 프로세싱 유닛(200)에 의해 판정된 천체의 위치를 기초로, 프로세싱 유닛(200)은 장치(10)의 글로벌 위치를 계산할 수 있다. 대안으로서, 프로세싱 유닛(200)은, 예컨대, 위성 항법 시스템, 사용자 인터페이스로부터, 그리고/또는 장치(10)의 외부 또는 내부의 통신 링크를 통해 장치(10)의 글로벌 위치 데이터를 수신할 수 있다. 글로벌 위치 데이터, 천체의 경로표, 및 프로세싱 유닛(200)에 의해 판정된 천체의 위치를 기초로, 프로세싱 유닛(200)은, 예컨대, 다른 소스로부터 날짜 정보를 수신하거나 획득하지 않는 경우에 연중 시간을 유추할 수 있다.
부가적으로 또는 대안으로서, 프로세싱 유닛(200)은, 예컨대, 적어도 어떤 시간 기간 동안 천체의 판정된 위치를 누적함으로써, 천체 위치의 시간라인을 획득할 수 있다. 획득된 시간라인을 기초로 프로세싱 유닛(200)은 시간, 날짜, 진북, 및/또는 장치(10)의 글로벌 위치의 판정을 위해 프로세싱 유닛에 의해 사용될 수 있는, 천체의 대강의 경로를 유추할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 장치(10)는 파장 분리기(130)를 포함할 수 있다. 파장 분리기(130)는 편광된 광으로부터 하나 이상의 파장 대역을 분리할 수 있다. 그러므로, 편광기(120) 및 파장 분리기(130)를 통과하는 편광된 광은 어떤 파장 대역에 대하여 또는 수개의 파장 대역에 대하여 하나의 패턴의 편광 강도 및/또는 방향을 생성할 수 있고, 이러한 패턴은 광 센서(220) 상으로 프로젝팅될 수 있다. 파장 분리기(130)는, 예컨대, 바이엘(Bayer) 필터와 같은 색상 필터 어레이를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로서, 파장 분리기(130)는 3색성(trichroic) 빔 스플리터 프리즘, 밴드패스 및/또는 롱패스 및/또는 에지패스 색상 필터, 유전체 미러, 및/또는 임의의 적합한 파장 분리기를 포함할 수 있다. 도 1의 예는 편광기(120)과 광 센서(220) 사이의 파장 분리기(130)를 도시하고 있으나, 본 발명의 다른 실시예는, 예컨대, 편광기(120)는 광이 광학 시스템(110)에 의해 그 위로 지향되고 그리고/또는 포커싱될 수 있는 파장 분리기(130)를 통과한 필터링된 광을 수신할 수 있도록 하는 다른 구성을 포함할 수 있다.
파장 분리기(130)에 의해 분리될 수 있는 상이한 파장 대역들은 대기 상태, 오염도, 구름 밀도, 습도 등과 같은 정보를 획득하기 위해 프로세싱 유닛(200)에 의해 사용될 수 있다. 프로세싱 유닛(200)은 상이한 종류의 정보를 비교할 수 있고, 그리고/또는, 예컨대, 탐지된 편광 패턴을 기초로 더욱 정밀한 항법 데이터를 획득하기 위해, 오염의 영향, 구름, 습도, 및/또는 편광 패턴 상의 다른 현상을 제거하고 그리고/또는 측정할 수 있다. 예컨대, 선명한 하늘의 편광 패턴은 450 nm 주변의 파장, 즉, 청색 및 보라색 파장에서 가장 잘 보여질 수 있다. 그러나, 오염 또는 구름에 대하여 전형적일 수 있는 큰 입자들은 적색 및 적외선 부근의 파장 대역, 즉, 650nm 부근에서 산란시켜 편광될 수 있다.
장치(10)는, 예컨대, 배터리, 태양전지, 및/또는 다른 적합한 전원과 같은 (도시되지 않은) 내부 또는 외부 전원에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 부가적으로, 장치(10)는, 예컨대, 외부 전원, 데이터 링크, 데이터 베이스, 및/또는 추가 센서 및 디바이스로부터 전력 및/또는 정보를 수신하기 위해, (도시되지 않은) 적어도 하나의 안테나 및/또는 유선 및/또는 무선 회로를 포함할 수 있다.
이제 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 하나의 예시적인 편광기(120)의 개랴적인 도면인 도 2를 참조한다. 편광기(120)는 하나의 어레이의 편광 필터 셀(121)을 포함할 수 있다. 각각의 셀(121)은, 예컨대, 실질적으로 서로 수직인, 각각 상이한 편광 방향을 가진 적어도 2개의 편광 필터(125 및 126)를 포함할 수 있다. 편광 필터 셀(121)은, 예컨대, 디스크 형상의 동심의 링(122)으로 배열될 수 있다. 다른 형상 및 구성이 사용될 수 있다. 하나 이상의 편광 필터(125 및 126)는 도 1을 참조하여 앞서 서술된 광 센서(220)를 구성할 수 있는 하나의 어레이의 광 센서 셀 내의 적어도 하나의 광 센서와 병치될 수 있다. 그러므로, 광 센서(220)는 각각의 셀(121) 내의 편광 필터(125 및 126)를 통해 수신된 광으로부터 데이터를 산출할 수 있다. 셀(121)은 서로 동일할 수도 있고, 또는 필터(125 및 126)의 각도 변화를 포함할 수도 있다. 편광기(120) 내의 셀(121)의 개수가 많을수록 광 센서(220)에 의한 더 높은 이미징 해상도를 가능하게 하지만, 이는 광 센서(220)의 최대 해상도로 제한된다. 편광기(120) 내의 셀(121)의 개수는 셀(121)의 크기 및/또는 링(122)의 개수에 의해 결정될 수 있다. 부가적으로, 셀(121)의 위치는 예컨대, 측정(129)에서 다른 링(122) 내의 셀(121)에 대하여 각각의 링(122) 내에서 시프트될 수 있는데, 이는 광 센서(220)에 의한 편광 패턴의 이미징 해상도를 강화할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 편광기(120)는, 예컨대, 편광기 디스크(120)의 적어도 일부분 상에 코르누(cornu) 감극기(depolarizer), 리오(lyot) 감극기, 웨지(wedge) 감극기 및/또는 다른 적합한 감극기와 같은 감극기 및/또는 광 지연 판을 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안으로서, 몇몇 실시예에서, 편광기(120)는 파장판, 지연기, 4분의1 파장판, 반파장판, 페러데이 회전자, 액정(LCs) 및/또는 광섬유, 또는 광 편광 패턴의 이미징 해상도를 증가시키기 위해 사용될 수 있는 임의의 적합한 엘리먼트와 같은 액티브 및/또는 패시브 광학 엘리먼트를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는, 예컨대, 편광기(120)가 광이 광학 시스템(110)에 의해 그 위로 지향되고 그리고/또는 포커싱될 수 있는 파장판을 통과한 필터링된 광을 수신할 수 있도록 하는 다른 구성을 포함할 수 있다.
광의 편광 패턴을 도출하기 위해, 프로세싱 유닛(200)은, 예컨대, 각각 셀(121) 내의 편광 필터(125 및 126)를 통해 수신된 광 강도 간의 차이를 측정함으로써 각각의 셀(121)을 통해 수신된 광의 편광 방향 및/또는 강도를 계산할 수 있다.
이제 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 장치(10)의 편광 탐지 엘리먼트(300)의 개략적인 부분도인 도 3을 참조한다. 편광 탐지 유닛(300)은 편광 필터(125 및 126)를 포함하는 셀(121), 파장 분리기(130) 내에 포함될 수 있는 색상 필터 어레이(135), 및 광 센서(220) 내에 포함될 수 있는 광 센서 셀(225)을 포함할 수 있다. 색상 필터 어레이(135)들은 서로 동일할 수 있다. 각각의 색상 필터 어레이(135)는 수개의 색상 필터(137), 예컨대, 바이엘 필터와 같은 적어도 3개의 상이한 색상의 색상 필터를 포함하는 4개의 색상 필터(137)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 색상 필터 어레이는 다른 개수의 색상 필터(137) 및/또는 다른 개수의 또는 다른 색상을 포함할 수 있다. 색상 필터 어레이(135)는 편광 필터(125 및 126) 중 하나와 병치될 수 있다. 광 센서(220)는 각각의 색상 필터(137)에 대하여 적어도 하나의 광 센서 셀(225)을 포함할 수 있다. 그러므로, 예컨대, 각각의 센서 셀(225)은 특정한 방향, 강도, 및 파장의 편광된 광을 흡수할 수 있다.
그러므로, 예컨대, 프로세싱 유닛(200)은 흡수된 광의 편광 강도 및/또는 방향을 파장 분리기(130)에 의해 분리된 각각의 파장에 대하여 개별적으로 계산할 수 있고, 도 1을 참조하여 상세하게 설명된 바와 같은 데이터를 사용할 수 있다.
이제 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 프로세싱 유닛(200)에 의해 도출될 수 있는 편광 패턴의 개략적인 도면인 도 4a 및 4b를 참조한다. 화살표(410)는 광의 e-백터, 즉, 프로세싱 유닛(200)에 의해 도출된 광의 편광 방향 및 강도를 도시하는데, 여기서, 화살표(410)의 길이 및 폭은 선형 편광의 강도를 나타내고, 화살표(410)의 방향은 선형 편광의 방향을 나타낸다. 본 예의 실시예에서, 광 센서(220)의 중심은 천정(450)과 나란하게 놓여 있고, 180도의 시야가 광 센서(220)에 의해 캡쳐된다. 도 4a는 태양의 고도(480)가 수평선 아래에 있고, 태양의 방위각(490)이 서쪽으로 지향된 때인 새벽에 프로세싱 유닛(200)에 의해 유도된 편광 패턴을 도시한다. 도 4b는 태양의 고도(480)가 하루동안 천정(450)에 가장 가깝게 하늘 가장 높이 있고 태양의 방위각(490)이 남쪽으로 지향된 때인 태양 정오(solar noon)에 프로세싱 유닛(200)에 의해 도출된 편광 패턴을 도시한다.
태양의 방위각 선(490)은, 예컨대, 모든 대기 고도 링(430)을 통과하는 천정(450)에서 피벗하고 그것이 통과하는 모든 e-백터에 수직인 선을 찾음으로써 프로세싱 유닛(200)에 의해 도출될 수 있다. 그 결과, 방위각 선(490)은 가장 높은 강도를 가진 e-벡터의 절반이고 그것과 수직이다. 그러므로, 프로세싱 유닛(200)은 방위각 선(490)을 따라 가장 높은 강도를 가진 e-벡터를 찾을 수 있다.
고도(480)는, 예컨대, 천정(450)과 가장 높은 강도를 가진 e-백터의 중간 지점 사이의 거리를 측정함으로써 프로세싱 유닛(200)에 의해 유추될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 두 점은 방위각 선(490) 상에 위치한다. 대안으로서, 태양이 장치(10)의 시야 내에 있는 경우에, 고도(480)는 직사광선의 방향으로부터 유추될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는, 예컨대, 프로세싱 유닛(200)이 스토크스 변수 서술(stokes parameters description), 및/또는 임의의 관련된 대기 및 일반 산란 이론을 사용하여 편광 정보를 유추할 수 있도록 하는 추가적인 e-백터 리프리젠테이션을 포함할 수 있다.
이제 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 항법 방법을 설명하는 개략적인 플로우차트인 도 5를 참조한다. 블록(510)에 표시된 바와 같이, 본 방법은 하나의 어레이의 편광 필터 셀(121) 상으로 광을 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 앞서 상세하게 설명한 바와 같이, 광 필터 셀(121)은 제1 편광 방향을 가진 제1 편광 필터(125), 및 제1 편광 방향과 상이한 제2 편광 방향을 가진 제2 편광 필터(126)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 필터(125 및 126)의 편광 방향은 서로 실질적으로 수직일 수 있다. 블록(520)에 표시된 바와 같이, 본 방법은 편광 필터(125 및 126)를 통해 수신된 광으로부터 데이터를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 블록(530)에 표시된 바와 같이, 본 방법은 생성된 데이터를 기초로 편광 패턴을 도출하는 단계를 포함할 수 있다. 편광 패턴의 도출은 편광 필터(125 및 126)를 통해 수신된 광 강도 간의 차이를 측정함으로써 편광의 강도 및 방향 중 적어도 하나를 계산함으로써 수행될 수 있다. 도출된 편광 패턴을 기초로, 예컨대, 천공광 산란 이론을 사용함으로써, 예컨대, 천체의 방위각 및/또는 고도와 같은 천체의 위치 데이터가 계산될 수 있다. 천체의 계산된 위치 데이터를 기초로, 또한 옵션으로서 앞서 상세하게 설명한 바와 같이 메모리에 저장된 보충 데이터를 사용함으로써 항법 데이터가 계산될 수 있다.
몇몇 실시예에 따라, 본 방법은, 예컨대, 앞서 상세하게 설명한 바와 같이 상이한 파장 대역으로부터 정보를 유추하기 위해, 지향된 광으로부터 적어도 하나의 파장 대역을 분리하는 단계를 포함할 수 있고, 그러므로 편광 패턴은 분리된 파장 대역 중 적어도 하나에서 계산될 수 있다.
또한 본 발명의 몇몇 실시예에 따라, 본 방법은 장치(10)의 경사 및/또는 모션을 탐지하는 단계를 포함할 수 있고, 그러므로, 예컨대, 천체의 위치를 계산할 때 장치(10)의 도출된 경사를 보상하는 것이 가능하다. 몇몇 실시예에서, 디바이스는, 예컨대, 전체 시스템을 참조하여, 6 자유도 중 하나와 같은, 하나 이상의 축을 따라 이동될 수 있고, 천체에 대한 디바이스의 움직임의 계산이 수행될 수 있다. 예를 들어, 장치(10)는 이동하는 차량에 부착될 수 있고, 차량의 방향, 움직임, 또는 위치는 차량이 이동하는 동안 다양한 시간에 편광 패턴의 변화를 비교함으로써 도출될 수 있다.
본 발명의 특정 피처들이 본 명세서에서 도시되고 서술되었으나, 다양한 수정, 치환, 변형, 및 동등물이 당업자들에게 현재 발생할 것이다. 그러므로, 첨부된 청구항은 모든 이러한 수정 및 변형이 본 발명의 실제 범위 내에 속하는 것으로 의도되었음을 이해해야 한다.
10 : 항법 장치
110 : 광학 시스템
120 : 편광기
121 : 편광 필터 셀
122 : 동심의 링
125, 126 : 편광 필터
130 : 파장 분리기
200 : 프로세싱 유닛
220 : 광 센서
225 : 광 센서 셀
300 : 편광 탐지 유닛

Claims (9)

  1. 천체의 위치 판정에 사용하기 위한 방법으로서,
    제1 편광 방향을 갖는 필터 셀 및 상기 제1 편광 방향과 상이한 제2 편광 방향을 갖는 필터 셀을 포함하는 적어도 두 개의 편광 필터 셀 어레이를 통과하도록 주변광을 지향하는 단계;
    적어도 두 개의 광 센서 엘리먼트를 포함하는 광 센서 유닛에 의하여 상기 제1 및 제2 편광 방향의 상기 적어도 두 개의 필터 셀을 통과하는 광 성분을 탐지하고, 상기 탐지된 광 성분의 강도에 있어서의 차이를 탐지하여 상기 주변 광의 편광 패턴을 나타내는 탐지 데이터를 산출하는 단계; 및
    상기 편광 패턴을 나타내는 데이터를 프로세싱하고, 상기 천체의 방위각 및 고도 중 적어도 하나를 확인하는 단계를 포함하는 천체의 위치 판정에 사용하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 편광 방향은 상기 제1 편광 방향에 수직인 것을 특징으로 하는 천체의 위치 판정에 사용하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 편광 필터 셀 어레이는 동심의 링 형태로 배열된 상기 편광 필터 셀의 원형 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 천체의 위치 판정에 사용하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 천체의 방위각 및 고도 중 적어도 하나를 확인하는 단계는 탐지된 주변광의 광학 경로의 경사에 대한 데이터를 제공하는 단계를 포함하는 천체의 위치 판정에 사용하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 천체의 위치 데이터를 기초로 하여 항법 데이터를 계산하는 단계를 더 포함하는 천체의 위치 판정에 사용하기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 항법 데이터를 계산하는 단계는 상기 천체의 방위각 및 고도에 관한 상기 데이터 및 태양 경로표, 천문 차트, 달력 차트, 천체표, 시간 기준, 천공광 편광 차트, 진북, 자북, 및 도북의 보정 차트로부터 선택된 적어도 하나의 보충 데이터를 이용하는 단계를 포함하는 천체의 위치 판정에 사용하기 위한 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 항법 데이터를 계산하는 단계는, 위치, 방향 및 하루 중의 시간 중에서 적어도 하나를 판정하는 단계를 포함하는 천체의 위치 판정에 사용하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 주변광으로부터 적어도 하나의 파장 대역을 분리하기 위하여, 수집된 주변광의 광학 경로에 파장 선택 필터를 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 편광 패턴을 나타내는 탐지 데이터를 산출하는 단계는 상기 적어도 하나의 분리된 파장 대역에서 강도 차이를 판정하는 단계를 포함하는 천체의 위치 판정에 사용하기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 파장 선택 필터를 제공하는 단계는, 상기 파장 선택 필터에, 입력된 주변광의 경로에 대한 적어도 두 개의 편광 필터 셀의 상기 어레이의 업스트림 또는 다운스트림을 제공하는 단계를 포함하는 천체의 위치 판정에 사용하기 위한 방법.
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