KR20170111582A - Method and system for estimating position and velocity of underwater vehicle using doppler beacon - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수중 이동체의 위치 및 속도를 추정하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 복수의 도플러 비컨 위치 및 각 도플러 비컨의 발신 주파수를 아는 조건에서 수중 이동체의 수신 주파수를 이용하여 수중 이동체의 위치 및 속도를 계산할 수 있는 도플러 비컨을 이용한 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 방법은, 서로 다른 주파수를 가진 음향신호를 출력하는 복수의 비컨과 상기 복수의 비컨으로부터 음향신호를 수신하는 수중 이동체로 구성된 시스템에서 수중 이동체의 상태(state)로서 위치 및 속도를 추정하는 방법으로서, 상기 복수의 비컨 위치 및 음향신호의 발신 주파수를 제공하는 단계와, 상기 수중 이동체가 상기 복수의 비컨으로부터 수신한 음향신호의 주파수를 측정하는 단계와, 상기 복수의 비컨 위치 정보, 상기 복수의 음향신호의 발신 주파수 정보 및 상기 수중 이동체의 수신 주파수 정보를 이용하여 상기 수중 이동체의 상태를 추정하는 단계를 포함한다. The present invention relates to a method and system for estimating the position and velocity of a moving object in a water vehicle, and more particularly, to a method and system for estimating the position and velocity of a moving object in the water using a receiving frequency of the moving object in a condition of knowing a plurality of Doppler beacon positions and an originating frequency of each Doppler beacon And more particularly, to a method and system for estimating the position and velocity of a moving object using a Doppler beacon capable of calculating position and velocity. In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a method for estimating a position and a velocity of a moving object in a water vehicle, comprising: a plurality of beacons outputting acoustic signals having different frequencies; A method of estimating position and velocity as a state, comprising: providing a plurality of beacon positions and an originating frequency of an acoustic signal; measuring frequency of an acoustic signal received by the underwater vehicle from the plurality of beacons And estimating the state of the underwater vehicle using the plurality of beacon position information, the frequency information of the plurality of acoustic signals, and the reception frequency information of the underwater vehicle.

Description

도플러 비컨을 이용한 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 방법 및 시스템 {Method and system for estimating position and velocity of underwater vehicle using doppler beacon}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and system for estimating the position and velocity of a moving object using a Doppler beacon,

본 발명은 수중 이동체의 위치 및 속도를 추정하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 복수의 도플러 비컨 위치 및 각 도플러 비컨의 발신 주파수를 아는 조건에서 수중 이동체의 수신 주파수를 이용하여 수중 이동체의 위치 및 속도를 계산할 수 있는 도플러 비컨을 이용한 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 방법 및 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a method and system for estimating the position and velocity of a moving object in a water vehicle, and more particularly, to a method and system for estimating the position and velocity of a moving object in the water using a receiving frequency of the moving object in a condition of knowing a plurality of Doppler beacon positions and an originating frequency of each Doppler beacon And more particularly, to a method and system for estimating the position and velocity of a moving object using a Doppler beacon capable of calculating position and velocity.

수중 이동체의 위치를 알아내는 종래 방법에는 추측 항법(dead reckoning) 과 거리 기반 위치 추정 방법이 있다. There are dead reckoning and distance-based location estimation methods in conventional methods for locating underwater vehicles.

추측 항법은 DVL(Doppler Velocity Log) 또는 IMU(Inertia Measurement Unit)을 사용하여 수중 이동체의 선속도 및 각속도를 구한다. 이 경우 속도가 센서 좌표계에서 구해지므로 절대 좌표계에서의 속도로 변환하기 위한 캘리브레이션(calibration)이 필요하다. Estimation navigation uses DVL (Doppler Velocity Log) or IMU (Inertia Measurement Unit) to determine the linear velocity and angular velocity of the underwater vehicle. In this case, since the velocity is obtained from the sensor coordinate system, calibration is required to convert it to the velocity in the absolute coordinate system.

그런데 추측 항법은 근본적으로 수중 이동체의 이동 및 시간 흐름에 따라 오차가 누적되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 완화하기 위해 수면에 부상하여 GPS 위치 정보를 사용하여 누적된 오차를 보상하거나, 거리나 방향각을 측정하는 센서를 부가하여 오차 누적을 줄일 수 있으나, 시스템이 복잡해지는 단점이 있으며 누적 오차를 정확히 없앨 수는 없다. However, there is a problem that the estimation navigation is fundamentally accumulating error according to the movement of the moving vehicle and the time flow. In order to mitigate these problems, it is possible to compensate accumulated errors by using GPS position information on the surface of water, or to reduce the error accumulation by adding sensors for measuring distances or directions, but the system is complicated, Can not be precisely eliminated.

거리 기반 위치 추정 방법은 음향 비컨과 수중 이동체 사이의 거리를 측정하여 수중 이동체의 위치를 구하는 방법이다. 거리 측정을 위해 음향신호를 수신하고 발신하는 트랜스폰더(transponder)가 필요하다. The method of estimating the distance based position is to measure the distance between the acoustic beacon and the underwater mobile body and obtain the position of the underwater mobile body. A transponder is needed to receive and transmit acoustic signals for distance measurements.

그런데 거리 측정에 필요한 TOA(Time of Arrival) 방법에서 정확한 음향신호의 발신 시각과 수신 시각을 알아야 하므로 발신기와 수신기 사이의 동기화를 할 수 있을 경우에만 본 방법을 사용할 수 있다. 그러나 시간 동기화를 위해 비컨과 수신기 사이를 수중에서 유선으로 연결해야 하므로 현실적으로 그 사용이 제한된다는 문제점이 있다. However, in the TOA (Time of Arrival) method for distance measurement, since it is necessary to know the transmission time and reception time of the accurate sound signal, this method can be used only when the synchronization between the transmitter and the receiver can be performed. However, since the beacon and the receiver must be connected by wire between the beacon and the receiver for time synchronization, their use is limited in practice.

(선행문헌 1) 등록특허 10-0953921(Prior Art 1) Patent Registration No. 10-0953921

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 다른 센서를 사용하지 않고도 위치 오차가 발생하지 않는 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a position and velocity estimation method of a moving object in which a position error does not occur without using another sensor.

또한, 본 발명의 목적은 발신기와 수신기 간에 시간 동기화가 필요 없이 수중 이동체의 위치 및 속도를 추정할 수 있는 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 방법을 제공하는 것이다. It is also an object of the present invention to provide a position and velocity estimation method of an underwater mobile object that can estimate the position and velocity of a moving object without requiring time synchronization between a transmitter and a receiver.

또한, 본 발명의 목적은 장치 구조가 간단하고 고장 및 오동작의 위험이 적은 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 방법을 제공하는 것이다. It is also an object of the present invention to provide a method and apparatus for estimating the position and velocity of a moving object in a water vehicle in which the structure of the apparatus is simple and the risk of malfunction and malfunction is small.

이를 위하여 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 방법은, 서로 다른 주파수를 가진 음향신호를 출력하는 복수의 비컨과 상기 복수의 비컨으로부터 음향신호를 수신하는 수중 이동체로 구성되는 시스템에서 수중 이동체의 상태(state)로서 위치 및 속도를 추정하는 방법에 있어서, In order to achieve the above and / or other aspects of the present invention, there is provided a method for estimating a position and a velocity of a moving object in a water vehicle, comprising the steps of: receiving a plurality of beacons outputting acoustic signals having different frequencies; A method for estimating a position and a velocity as a state,

이전 시점의 수중 이동체의 상태로부터 현재 시점의 수중 이동체의 상태를 예측하여 예측 상태를 산출하는 단계와, 이전 시점의 상태 불확실도로부터 현재 시점의 예측 상태 불확실도를 산출하는 단계와, 상기 예측 상태를 이용하여 수중 이동체가 현재 시점에서 수신한 음향신호의 주파수로서 측정(measurement)을 예상하여 예상 측정을 산출하는 단계와, 상기 예측 상태 불확실도를 이용하여 현재 시점의 예상 측정 불확실도를 산출하는 단계와, 상기 예측 상태와 상기 예상 측정의 상호 오차 의존도를 산출하는 단계와, 상기 상호 오차 의존도 및 상기 예상 측정 불확실도를 이용하여 보정 이득을 산출하는 단계와, 상기 예측 상태와 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 상태를 산출하는 단계와, 상기 예측 상태 불확실도와 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 상태 불확실도를 산출하는 단계를 포함한다. Calculating a predicted state by predicting a current state of the underwater mobile body from a state of the underwater mobile body at a previous time point; calculating a predicted state uncertainty at a current time point from a state uncertainty at a previous time point; Calculating a predicted measurement by predicting a measurement as a frequency of an acoustic signal received at a current time by the underwater vehicle; calculating a predicted measurement uncertainty at the present time using the predicted state uncertainty; Calculating a correction gain by using the mutual error dependency and the predicted measurement uncertainty; calculating a state of the current time using the prediction state and the correction gain; , Using the predicted state uncertainty and the correction gain And a step of calculating a state of uncertainty material point.

또한, 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 방법은, 서로 다른 주파수를 가진 음향신호를 출력하는 복수의 비컨과 상기 복수의 비컨으로부터 음향신호를 수신하는 수중 이동체로 구성된 시스템에서 수중 이동체의 상태(state)로서 위치 및 속도를 추정하는 방법에 있어서, A method for estimating the position and velocity of a moving object in a water according to the present invention is a method for estimating a position and a velocity of a moving object in a system comprising a plurality of beacons for outputting acoustic signals having different frequencies and an underwater moving object for receiving acoustic signals from the plurality of beacons A method for estimating a position and a velocity as a state,

상기 복수의 비컨 위치 및 음향신호의 발신 주파수를 제공하는 단계와, 상기 수중 이동체가 상기 복수의 비컨으로부터 수신한 음향신호의 주파수를 측정하는 단계와, 상기 복수의 비컨 위치 정보, 상기 복수의 음향신호의 발신 주파수 정보 및 상기 수중 이동체의 수신 주파수 정보를 이용하여 상기 수중 이동체의 상태를 추정하는 단계를 포함한다. The method comprising the steps of: providing the plurality of beacon locations and an originating frequency of an acoustic signal; measuring frequency of an acoustic signal received by the underwater vehicle from the plurality of beacons; And estimating a state of the underwater vehicle using the frequency information of the underwater vehicle and the frequency information of the underwater vehicle.

또한, 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 방법은, 서로 다른 주파수를 가진 음향신호를 출력하는 복수의 비컨과 상기 복수의 비컨으로부터 음향신호를 수신하는 수중 이동체로 구성되는 시스템에서 수중 이동체의 상태(state)로서 위치 및 속도를 추정하는 방법에 있어서, A method for estimating the position and velocity of a moving object in a water according to the present invention is a method for estimating a position and a velocity of a moving object in a water comprising a plurality of beacons for outputting acoustic signals having different frequencies and an underwater moving object for receiving acoustic signals from the plurality of beacons A method for estimating a position and a velocity as a state,

수중 이동체가 현재 시점에서 수신한 음향신호의 주파수를 측정하는 단계와, 이전 시점의 수중 이동체의 상태로부터 현재 시점의 수중 이동체의 상태를 예측하여 예측 상태를 산출하는 단계와, 상기 예측 상태를 이용하여 수중 이동체가 현재 시점에서 수신한 음향신호의 주파수로서 측정(measurement)을 예상하여 예상 측정을 산출하는 단계와, 상기 예측 상태를 보정하기 위한 보정 이득을 산출하는 단계와, 상기 예측 상태, 상기 측정 주파수 및 상기 예상 측정 그리고 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 상태를 산출하는 단계를 포함한다. The method comprising the steps of: measuring a frequency of an acoustic signal received at the current time by the underwater mobile body; calculating a predictive state by predicting the state of the underwater mobile body at the current time from the state of the underwater mobile body at the previous time; Calculating a predicted measurement by estimating a measurement as a frequency of an acoustic signal received at a current time by the underwater vehicle; calculating a correction gain for correcting the predicted state; And calculating the state of the current point of time using the predicted measurement and the correction gain.

또한, 본 발명에 따른 수중 이동체는, 복수의 비컨으로부터 서로 다른 주파수를 가진 음향신호를 수신하여 수중 이동체의 상태로서 위치 및 속도를 추정하는 수중 이동체에 있어서,Further, the underwater vehicle according to the present invention is an underwater vehicle for receiving an acoustic signal having a different frequency from a plurality of beacons and estimating the position and velocity as a state of the underwater vehicle,

상기 수중 이동체는 이전 시점의 수중 이동체의 상태로부터 현재 시점의 수중 이동체의 상태를 예측하여 예측 상태를 산출하고, 이전 시점의 상태 불확실도로부터 현재 시점의 예측 상태 불확실도를 산출하고, 상기 예측 상태를 이용하여 수중 이동체가 현재 시점에서 수신한 음향신호의 주파수로서 측정(measurement)을 예상하여 예상 측정을 산출하고, 상기 예측 상태 불확실도를 이용하여 현재 시점의 예상 측정 불확실도를 산출하고, 상기 예측 상태와 상기 예상 측정의 상호 오차 의존도를 산출하고, 상기 상호 오차 의존도 및 상기 예상 측정 불확실도를 이용하여 보정 이득을 산출하고, 상기 예측 상태와 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 상태를 산출하고, 상기 예측 상태 불확실도와 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 상태 불확실도를 산출하는 것을 특징으로 한다. Wherein the underwater vehicle calculates a predicted state by predicting a state of a moving object in the water at a current time from a state of a moving object in the water at a previous time, calculates a predicted state uncertainty at a current time from a state uncertainty at a previous time, Calculating an expected measurement by estimating a measurement as a frequency of an acoustic signal received at a current time by the underwater vehicle, calculating an expected measurement uncertainty at the present time using the predicted state uncertainty, Calculating a correction gain using the mutual error dependency and the estimated measurement uncertainty, calculating a state of a current point of time by using the predicted state and the correction gain, and comparing the predicted state uncertainty with the estimated state uncertainty, Obtain the current state uncertainty using the correction gain And it characterized in that.

또한, 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 시스템은, 서로 다른 주파수를 가진 음향신호를 출력하는 복수의 비컨과, 상기 복수의 비컨으로부터 음향신호를 수신하면 수신한 음향신호의 주파수를 측정하고 상기 복수의 비컨 위치, 상기 복수의 음향신호의 발신 주파수 및 상기 측정한 수신 주파수를 이용하여 수중 이동체의 상태로서 위치 및 속도를 추정하는 추정 장치를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a system for estimating the position and velocity of a moving object, comprising: a plurality of beacons for outputting acoustic signals having different frequencies; and a controller for measuring frequencies of the acoustic signals received by receiving the acoustic signals from the plurality of beacons And an estimating device for estimating a position and a velocity as a state of the mobile body using the plurality of beacon positions, the transmission frequency of the plurality of acoustic signals, and the measured reception frequency.

또한, 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 장치는, 복수의 비컨으로부터 서로 다른 주파수를 가진 음향신호를 수신하는 음향 신호 수신부와, 상기 음향 수신부에서 수신한 음향신호의 주파수를 측정하는 주파수 측정부와, 이전 시점의 수중 이동체의 위치 및 속도로부터 현재 시점의 수중 이동체의 위치 및 속도를 예측하여 예측 위치 및 속도를 산출하고, 상기 예측 위치 및 속도를 이용하여 상기 음향신호 수신부가 현재 시점에서 수신한 음향신호의 주파수를 예상하여 예상 주파수를 산출하고, 상기 예측 위치 및 속도를 보정하기 위한 보정 이득을 산출하여, 상기 예측 위치 및 속도, 상기 측정 주파수 및 상기 예상 주파수 그리고 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 수중 이동체의 위치 및 속도를 산출하는 제어부를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for estimating the position and velocity of a moving object, comprising: an acoustic signal receiving unit for receiving acoustic signals having different frequencies from a plurality of beacons; a frequency measurement unit for measuring a frequency of the acoustic signal received by the acoustic receiver; And estimating a position and a velocity of the underwater mobile body at the current time based on the position and velocity of the underwater mobile body at the previous time point and calculating the predicted position and velocity using the predicted position and velocity, Calculating a predicted frequency by predicting the frequency of one acoustic signal, calculating a correction gain for correcting the predicted position and velocity, and calculating a correction gain by using the predicted position and velocity, the estimated frequency, And a control unit for calculating the position and speed of the moving object in the water at the time.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 비컨의 위치 및 발신 주파수를 아는 조건에서 수중 이동체가 수신한 음향신호의 주파수만을 측정하면 수중 이동체의 위치 및 속도를 추정할 수 있다. 이에 따라 음향 수신기만 필요하므로 추정 장치의 구조가 간단해지고 구조가 간단하여 장치 고장 및 오동작의 가능성이 작다.As described above, the method according to the present invention can estimate the position and velocity of a moving object in the water by measuring only the frequency of the acoustic signal received by the moving object under the condition of knowing the location and frequency of the beacon. Accordingly, only the acoustic receiver is required, so that the structure of the estimating device is simplified and the structure is simple, so that the possibility of device failure and malfunction is small.

또한, 본 발명은 속도 센서를 사용하는 추측 항법과 달리 수중 이동체의 이동 및 시간 흐름에 따른 누적 오차가 발생하지 않는 효과가 있다. Also, the present invention has the effect of not causing cumulative error according to the movement of the moving object and the time flow, unlike the conventional navigation method using the speed sensor.

또한, 본 발명은 음향 발신기와 수신기 간에 시간 동기화나 음향신호 도착 시각 감지가 필요 없기 때문에 시간 동기화나 도착 시각 감지가 어려운 환경에서도 사용할 수 있다.In addition, since the present invention does not require time synchronization or sound signal arrival time detection between an acoustic transmitter and a receiver, the present invention can be used in an environment where time synchronization and arrival time detection are difficult.

본 발명에 따른 방법은 작업 구역이 한정된 경우가 많은 ROV(Remotely Operated Vehicle) 위치 추정에 사용할 수 있으며, 또한 정해진 구역에서 작업하는 USV(Unmanned Surface Vehicle)나 AUV(Autonomous Underwater Vehicle)의 위치 추정에 사용할 수 있다. The method according to the present invention can be used for ROV (Remotely Operated Vehicle) position estimation, which is often limited to a working area, and can be used for estimating the position of a USV (Unmanned Surface Vehicle) or an AUV (Autonomous Underwater Vehicle) .

특히, 본 발명에 따른 방법은 GPS 재밍(jamming) 시의 대체 항법으로 사용할 수 있다. 즉, USV의 위치 추정을 위해 GPS 또는 GPS/INS 복합 항법이 사용되고 있으나, GPS 재밍(jamming) 시 항법 기능을 상실하게 되므로 본 발명에 따른 방법이 대체 항법으로 널리 사용될 수 있다. In particular, the method according to the present invention can be used as an alternative navigation method for GPS jamming. That is, although GPS or GPS / INS composite navigation method is used for estimating the position of USV, since the navigation function is lost during GPS jamming, the method according to the present invention can be widely used as an alternative navigation method.

도 1은 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 시스템의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 상태 추정 과정을 수학식으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 다른 상태 추정 과정을 나타낸 순서도.
도 4는 보정이득 계산 과정을 나타낸 순서도.
도 5는 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 장치의 개략적인 내부 구성도.
도 6은 시뮬레이션에 사용한 조건을 나타낸 도면.
도 7은 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 8은 xy 평면의 위치 추정 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 xz 평면의 위치 추정 결과를 나타낸 그래프.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic block diagram of a position and velocity estimation system for an underwater vehicle according to the present invention; FIG.
FIG. 2 is a diagram illustrating a state estimation process according to an embodiment of the present invention. FIG.
3 is a flowchart illustrating a state estimation process according to the present invention.
4 is a flowchart showing a correction gain calculation process;
5 is a schematic internal configuration diagram of an apparatus for estimating the position and velocity of an underwater vehicle according to the present invention.
6 is a diagram showing conditions used in a simulation;
7 is a view showing a simulation result.
8 is a graph showing the position estimation result of the xy plane.
9 is a graph showing the result of position estimation of the xz plane.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The configuration of the present invention and the operation and effect thereof will be clearly understood through the following detailed description.

발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.  Before describing the invention in detail, the same components are denoted by the same reference numerals even if they are shown in different drawings, and a detailed description thereof will be omitted when it is judged that the gist of the present invention may be blurred to a known configuration .

도 1은 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 시스템을 개략적으로 나타낸 것이다. 1 schematically shows a position and velocity estimation system for an underwater vehicle according to the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 수면 또는 수중에 복수 개의 도플러 비컨(100)이 설치되어 있으며, 수중 이동체(200)가 수중을 운항하면서 수중 이동체(200)의 위치 및 속도를 실시간으로 추정한다. 수중 이동체(200)의 위치 및 속도 추정은 수중 이동체(200)가 직접 수행하거나 별도의 외부 장치(미도시)가 수행할 수 있다. As shown in FIG. 1, a plurality of Doppler beacons 100 are installed on the water surface or underwater, and the position and speed of the underwater vehicle 200 are estimated in real time while the underwater vehicle 200 is operated under water. The position and velocity estimation of the underwater vehicle 200 may be directly performed by the underwater vehicle 200 or may be performed by an external device (not shown).

도플러 비컨(100)은 일정한 위치에 설치되어 특정 주파수의 음향신호를 출력하며, 수중 이동체(200)는 비컨(100)에서 출력한 음향신호를 수신한다. 도플러 비컨은 도플러 효과를 이용하는 비컨으로서 이하에서는 설명의 편의상 비컨으로 통칭하기로 한다. The Doppler beacon 100 is installed at a predetermined position and outputs an acoustic signal of a specific frequency. The underwater mobile 200 receives the acoustic signal output from the beacon 100. The Doppler beacon is a beacon using the Doppler effect, and will be collectively referred to as a beacon hereinafter for convenience of explanation.

본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 시스템은 비컨(100)의 위치, 비컨(100)에서 출력하는 음향신호의 주파수 및 수중 이동체(200)가 수신하는 음향신호의 주파수를 사용하여 절대 좌표계에서 수중 이동체(200)의 위치 및 속도를 구할 수 있다. The system for estimating the position and velocity of a moving object in the underwater according to the present invention can estimate the position and velocity of the moving object in the absolute coordinate system using the position of the beacon 100, the frequency of the acoustic signal output from the beacon 100, The position and speed of the moving object 200 can be obtained.

비컨(100)에서 출력된 음향신호가 빠르게 이동하는 수중 이동체(200)에 수신될 때 도플러 효과에 의해 주파수가 변경되므로, 비컨(100)의 출력 주파수는 서로 충분한 간격을 가져야 한다. 즉, 수중 이동체(200)가 최고 속도로 이동하더라도 수신된 주파수로부터 발신된 주파수를 알 수 있게 하기 위해 각 비컨(100)에서 발신되는 주파수들의 차이를 크게 한다. The frequency of the acoustic signal output from the beacon 100 is changed by the Doppler effect when the acoustic signal is received by the underwater mobile 200 moving fast, so that the output frequencies of the beacons 100 should be sufficiently spaced from each other. That is, even if the underwater mobile 200 moves at the maximum speed, the differences in the frequencies emitted from the beacons 100 are increased in order to know the frequencies transmitted from the received frequencies.

예를 들어, 수중 이동체(200)가 v(t) m/s로 이동하는 경우, Δf(t) Hz의 주파수 편이(shift)가 발생한다면 주파수의 간격을 2Δf(t) Hz 이상으로 하면 된다. For example, when the underwater vehicle 200 moves to v (t) m / s, if a frequency shift of Δf (t) Hz occurs, the frequency interval may be set to 2Δf (t) Hz or more.

본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 시스템은 이전 주파수 수신 시점의 수중 이동체(200)의 최적 위치 및 속도로부터 현재 수신 시점의 수중 이동체(200)의 위치 및 속도를 예측하고, 예측한 수중 이동체(200)의 위치 및 속도를 수중 이동체(200)가 현재 수신한 음향 신호의 주파수를 사용하여 보정함으로써 현재 수신 시점의 수중 이동체(200)의 최적 위치 및 속도를 산출한다. 이러한 과정은 수신 주파수가 측정될 때마다 반복된다.The position and velocity estimation system of the underwater vehicle according to the present invention estimates the position and velocity of the moving object 200 at the current receiving time from the optimum position and velocity of the moving object 200 at the time of receiving the previous frequency, The position and speed of the mobile terminal 200 are corrected using the frequency of the acoustic signal currently received by the mobile 200 so as to calculate the optimal position and speed of the mobile terminal 200 at the present time. This process is repeated every time the receiving frequency is measured.

이하에서는 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정을 위해 필요한 파라미터와 그에 따른 수학식에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, the parameters necessary for estimating the position and velocity of the moving object in accordance with the present invention and the corresponding equations will be described in detail.

수면 또는 수중에 설치되는 비컨(100)의 위치는 수학식 1과 같이 표기한다. The location of the beacon 100 installed on the water surface or underwater is represented by Equation (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

b k는 k번째 비컨의 위치를 의미한다. b k는 이미 알고 있는 벡터값이다. b k denotes the position of the k-th beacon. b k is a known vector value.

xk는 k번째 비컨의 x 방향 값, yk는 k번째 비컨의 y 방향 값, zk는 k번째 비컨의 z 방향 값을 나타낸다. x k is the x-direction value of the k-th beacon, y k is the y-direction value of the k-th beacon, and z k is the z-direction value of the k-th beacon.

비컨은 총 M개(본 발명의 실시예에서는 M=8) 존재한다. k번째 비컨에서 발생하여 출력되는 음향신호의 주파수는 고정된 값으로 ft,k로 표기한다. 수중 이동체가 k번째 비컨의 음향신호를 시각 t=ti에서 수신할 때 측정한 음향신호의 주파수는 fr,k(ti)로 표기한다. There are a total of M beacons (M = 8 in the present embodiment). The frequency of the acoustic signal generated and output from the k-th beacon is denoted by f t, k as a fixed value. The frequency of the acoustic signal measured when the underwater vehicle receives the acoustic signal of the k-th beacon at time t = t i is denoted by f r, k (t i ).

수중 이동체(200)의 위치는 수학식 2와 같이 표기한다. The position of the moving object 200 in the water is expressed by Equation (2).

Figure pat00002
Figure pat00002

v(ti)는 시각 t=ti에서 수중 이동체의 위치를 의미한다. v (t i ) means the position of the mobile underwater at time t = t i .

x(ti)는 시각 t=ti에서 수중 이동체 위치의 x 방향 값, y(ti)는 시각 t=ti에서 수중 이동체 위치의 y 방향 값, z(ti)는 시각 t=ti에서 수중 이동체 위치의 z 방향 값을 나타낸다. x (t i) is the time t = t i x direction value, y (t i) of the underwater movable body position from the time t = in t i y direction value of the underwater movable body position, z (t i) is the time t = t i represents the z direction value of the position of the moving object in the water.

수중 이동체의 상태Status of Underwater Vehicle

수중 이동체의 위치 및 속도를 합쳐서 상태(state)라고 한다. The position and speed of the underwater vehicle are collectively referred to as a state.

본 발명은 시각 t=ti에서 수중 이동체의 상태를 구하는 것을 목표로 한다. The present invention aims at obtaining the state of a moving vehicle at time t = t i .

수중 이동체의 상태는 수학식 3과 같이 표기한다. The state of the moving object in the water is expressed by Equation (3).

Figure pat00003
Figure pat00003

x(ti)는 시각 t=ti에서 수중 이동체의 상태를 의미하며 시각 t=ti에서의 상태 또는 상태 벡터라고 칭한다. x (t i) denotes the status of the water moving object at time t = t i and is referred to as state or state vector at time t = t i.

v(ti)는 시각 t=ti에서 수중 이동체의 위치, v'(ti)는 시각 t=ti에서 수중 이동체의 속도를 나타낸다. v (t i ) is the position of the moving object in the water at time t = t i , and v ' (t i ) is the velocity of the moving object at time t = t i .

x'(ti)는 x(ti)의 미분값으로 시각 t=ti에서 수중 이동체의 x 방향 속도, y'(ti)는 y(ti)의 미분값으로 시각 t=ti에서 수중 이동체의 y 방향 속도, z'(ti)는 z(ti)의 미분값으로 시각 t=ti에서 수중 이동체의 z 방향 속도를 나타낸다. x '(t i) is x (t i) x direction speed differentials of the underwater moving object at time t = t i a, y' (t i) is the time t = t i a differential value of y (t i) Z '(t i ) is the derivative of z (t i ) and represents the z-direction velocity of the underwater vehicle at time t = t i .

즉, x(ti)는 x, y, z의 방향의 위치 및 속도 변수를 6개의 열로 모아 만든 벡터이다.That is, x (t i ) is a vector formed by grouping the positions and velocity variables in the x, y, and z directions into six columns.

수중 이동체의 상태 변환 모델State transformation model of underwater mobile

상태 변환은 ti -1에서의 상태가 ti에서 어떤 값으로 변화되는지를 나타낸다. 즉, 수중 이동체의 이동 특성을 수학적으로 표현한 것이 상태 변환 모델(state transition model)이다. The state transformation shows how the state at t i -1 changes from t i to a certain value. That is, the state transition model is a mathematical expression of the movement characteristics of the underwater vehicle.

일반적으로 상태 변환 모델은 비선형 식 g(·)으로 표현되지만 알고리즘에 적용하기 쉽도록 선형화하여 사용한다. 선형화된 결과가 상태 변환 행렬 G(ti)로 표현된다. In general, the state transformation model is expressed as a nonlinear expression g (·), but it is used linearly so that it can be easily applied to an algorithm. The linearized result is represented by a state transformation matrix G (t i ).

수중 이동체는 매우 급격하게 속도나 방향이 변하지 않으므로 ti -1에서의 속도가 ti에서의 속도와 같다고 모델링한다. ti - 1와 ti 사이는 수십 또는 수백 밀리 초(milliseconnd) 정도의 짧은 시간이므로 속도 변화가 없다고 가정한다. Since the underwater vehicle does not change its velocity or direction very suddenly, we model that the velocity at t i -1 is equal to the velocity at t i . It is assumed that there is no speed change because there is a short time between t i - 1 and t i, which is on the order of tens or hundreds of milliseconds.

이러한 가정하에 ti에서의 수중 이동체의 상태를 수학식 4와 같이 구할 수 있다. Under this assumption, the state of the underwater vehicle at t i can be obtained as shown in Equation (4).

Figure pat00004
Figure pat00004

수중 이동체의 상태는 다양한 주변 환경의 변화 및 불확실성, 수중 이동체 자체의 이동 제어 성능, 잡음 및 불확실성 등의 영향으로 오차 없이는 수학적으로 표현할 수 없다. 따라서 이러한 불확실성과 잡음 요소를 고려한 항을 상태 변환 모델에 추가해야 한다. The state of the underwater vehicle can not be expressed mathematically without errors due to various environmental changes and uncertainties, movement control performance of the underwater vehicle itself, noise and uncertainty. Therefore, we need to add a term that takes into account these uncertainties and noise factors to the state transformation model.

이를 위해 위치 및 속도 항에 각각 νx(ti), νy(ti), νz(ti), νx'(ti), νy'(ti), νz '(ti)로 표시한 항을 추가하였다. To this end, each of the position and velocity, wherein ν x (t i), ν y (t i), ν z (t i), ν x '(t i), ν y' (t i), ν z '(t i ) is added.

ν(ti)는 상태 변환의 불확실성과 잡음을 나타내며, Q(ti)를 오차 공분산으로 갖는다. Q(ti)는 상태 변환 모델이 실제의 상태 변환으로부터 어느 정도의 오차가 있는지를 표현하는 행렬로서 그 값이 클수록 상태 오차가 큰 것을 나타낸다. Q(ti)는 가우시안 분포를 가지는 것으로 모델링한다. ν (t i ) represents the uncertainty and noise of the state transformation, and Q (t i ) is the error covariance. Q (t i ) is a matrix expressing the degree of error from the actual state transformation of the state transformation model, and the larger the value is, the larger the state error is. Q (t i ) is modeled as having a Gaussian distribution.

수학식 4를 행렬로 나타내면 수학식 5와 같다. Mathematical expression 4 can be expressed by the following equation (5).

Figure pat00005
Figure pat00005

결과적으로 상태 변환 모델은 수학식 6과 같이 결정되며, 수학식 7과 같이 상태 변환 행렬 G(ti)를 구할 수 있다. As a result, the state transformation model is determined as shown in Equation (6), and the state transformation matrix G (t i ) can be obtained as shown in Equation (7).

Figure pat00006
Figure pat00006

Figure pat00007
Figure pat00007

상태 변환 행렬 G(ti)는 ti -1에서의 상태가 ti에서의 상태와 선형적 관계가 있음을 보여준다. The state transformation matrix G (t i ) shows that the state at t i -1 has a linear relationship with the state at t i .

측정Measure

측정(measurement)은 ti에서의 상태를 구하기 위해 필요한 정보로서 측정 정보 또는 측정 벡터를 말한다. 측정은 수중 이동체에서 수신하여 측정된 음향신호의 주파수들로 이루어진다. 측정은 M개의 비컨으로부터 발생하여 출력된 음향신호로부터 구하므로 M개의 변수를 가진다. 따라서 측정은 수학식 8과 같이 표기된다. Measurement is the information required to obtain the state at t i , which is the measurement information or measurement vector. The measurement consists of the frequencies of the acoustic signal measured and received by the underwater vehicle. The measurement is obtained from M beacons and output from the sound signal, so M variables are obtained. Therefore, the measurement is represented by Equation (8).

Figure pat00008
Figure pat00008

z(ti)는 M개의 비컨에서 발신되어 수중 이동체에서 시각 ti에 측정된 음향신호의 주파수 벡터이다. fr,k(ti)는 k번째 비컨이 발생시킨 음향신호가 수중 이동체에서 시각 ti에 수신되었을 때의 주파수를 나타낸다. z (t i ) is the frequency vector of the sound signal emitted from the M beacons and measured at time t i in the underwater vehicle. f r, k (t i ) represents the frequency when the acoustic signal generated by the k-th beacon is received at time t i in the underwater vehicle.

측정 모델Measurement model

측정 모델(measurement model)은 측정 벡터 z(ti)가 상태 x(ti)에 의해 어떻게 결정되는지를 나타내는 수학적 모델이다. x(ti)가 주어지면 측정 모델 함수 h(·)에 의해 측정값 z(ti)를 구할 수 있다. 측정값은 측정 센서의 부정확성, 측정 대상 물리량의 불안정성, 측정 과정의 오류 등으로 인하여 실제 값을 그대로 나타내지 못한다. 따라서 이러한 측정의 불확실성과 잡음이 반영되도록 측정 모델을 구해야 한다. The measurement model is a mathematical model that indicates how the measurement vector z (t i ) is determined by the state x (t i ). Given x (t i ), the measured value z (t i ) can be determined by the measurement model function h (·). The measured value does not represent the actual value due to the inaccuracy of the measurement sensor, instability of the physical quantity to be measured, error of the measurement process, and the like. Therefore, measurement models should be sought to reflect the uncertainty and noise of these measurements.

측정 모델은 수학식 9 와 같이 표현된다. The measurement model is expressed by Equation (9).

Figure pat00009
Figure pat00009

여기서 ωk(ti)는 k번째 비컨에서 발생하여 출력되는 음향신호 측정 모델의 불확실성과 잡음을 나타낸다. M 개의 비컨에 대한 불확실성과 잡음 요소를 모두 모아 열 벡터 ω(ti)로 표기한다. Here, ω k (t i ) represents the uncertainty and noise of the acoustic signal measurement model generated and output from the k-th beacon. The uncertainty and noise factors for the M beacons are summed together and denoted by the column vector ω (t i ).

R(ti)는 측정의 오차 정도를 나타내는 오차 공분산 행렬로서 가우시안 분포를 가지는 것으로 모델링하여 수학식 10과 같이 표현한다. R (t i ) is an error covariance matrix representing the degree of error of the measurement and is modeled as having a Gaussian distribution and expressed as Equation (10).

Figure pat00010
Figure pat00010

수학식 10에서, R(ti)의 대각선 요소 값들 ωjj(ti)이 크면 측정 오차 ωj(ti)가 크다는 것을 의미한다. 그리고 R(ti)의 비대각선 요소 값들 ωjk(ti)이 크면 측정 오차 ωj(ti)와 ωk(ti)사이의 연관성이 높다는 것을 의미한다. In Equation 10, it means that the diagonal elements of the values R (t i) ω jj ( t i) is large, a measurement error ω j (t i) is greater. And the non-diagonal elements means that the values of R (t i) ω jk ( t i) is high correlation between the large measurement error ω j (t i) and ω k (t i).

수학식 9에서, fr,k(ti)는 k번째 비컨이 발생시킨 음향신호가 수중 이동체에서 시각 ti에 수신되었을 때의 주파수를 나타낸다. fr,k(ti)는 수중 이동체의 위치를 나타내는 좌표값 (x, y, z)와 각 방향에서의 속도 (x', y', z')에 관한 함수이다. 따라서 fr,k(ti)를 측정하여 (x, y, z)와 (x', y', z')를 구할 수 있다. In Equation (9), f r, k (t i ) represents a frequency when the acoustic signal generated by the k-th beacon is received at time t i in the underwater vehicle. f r, k (t i ) is a function of the coordinate values (x, y, z) indicating the position of the moving object in the water and the velocity (x ', y', z ') in each direction. Therefore , (x, y, z) and (x ', y', z ') can be obtained by measuring f r, k (t i ).

fr,k(ti)는 다음과 같이 유도된다. f r, k (t i ) is derived as follows.

우선 vk(ti)는 수중 이동체의 k번째 비컨 방향으로의 속도 성분을 의미하며 수학식 11와 같이 나타낼 수 있다. First, v k (t i ) means a velocity component in the k-th beacon direction of the underwater vehicle, and can be expressed by Equation (11).

Figure pat00011
Figure pat00011

그러면 fr,k(ti)는 수학식 11로부터 수학식 12와 같이 구할 수 있다. Then, f r, k (t i ) can be obtained from Equation (11) as Equation (12).

Figure pat00012
Figure pat00012

여기서, v는 수중에서 음향 속도이며 모든 상태 변수는 시각 ti에서 얻을 수 있다. 수중 이동체의 k번째 비컨 방향으로의 속도 성분 vk(ti)이 클수록 수중 이동체가 수신한 음향신호의 주파수와 비컨에서 출력된 음향신호의 주파수의 차이가 커지게 된다. Where v is the acoustic velocity in water and all state variables can be obtained at time t i . The larger the velocity component v k (t i ) in the k-th beacon direction of the underwater mobile body, the greater the difference between the frequency of the acoustic signal received by the underwater vehicle and the frequency of the acoustic signal output from the beacon.

수학식 9에 나타낸 측정 모델 함수 h(·)는 비선형 함수이므로 이를 선형화하여 행렬 H(ti)로 만든다. The measurement model function h (·) shown in Equation (9) is a nonlinear function, so it is linearized into a matrix H (t i ).

H(ti)는 자코비안 행렬(Jacobian matrix)로서, 1, 2, 3열은 h(·)를 수중 이동체의 위치 좌표 변수 (x, y, z)에 대해 편미분한 성분이고, 4, 5, 6열은 h(·)를 수중 이동체의 속도 변수 (x', y', z')에 대해 편미분한 성분이다. H (t i ) is a Jacobian matrix, and columns 1, 2 and 3 are partial derivatives of h (·) with respect to the position coordinates (x, y, z) , And column 6 is a component obtained by partial differentiation of h (·) with respect to the velocity variable (x ', y', z ') of the underwater vehicle.

이에 따라 행렬 H(ti)는 수학식 13과 같이 구해진다. Accordingly, the matrix H (t i ) is obtained as shown in Equation (13).

Figure pat00013
Figure pat00013

행렬 H(ti)의 1, 2, 3열은 수학식 14, 15, 16을 통해 각각 유도된다. The columns 1, 2, and 3 of the matrix H (t i ) are derived through Equations 14, 15, and 16, respectively.

Figure pat00014
Figure pat00014

Figure pat00015
Figure pat00015

Figure pat00016
Figure pat00016

또한, 행렬 H(ti)의 4, 5, 6열은 수학식 17, 18, 19를 통해 각각 유도된다. Also, the columns 4, 5, and 6 of the matrix H (t i ) are derived through Equations 17, 18, and 19, respectively.

Figure pat00017
Figure pat00017

Figure pat00018
Figure pat00018

Figure pat00019
Figure pat00019

수학식 14 내지 19에서,

Figure pat00020
이고, 모든 상태 변수는 시각 ti에서 추정된 값들이다.In Equations (14) to (19)
Figure pat00020
, And all the state variables are estimated at time t i .

이상 유도된 결과를 이용하여 수중 이동체의 상태인 위치 및 속도를 구하는 과정을 구체적으로 설명한다. The procedure for obtaining the position and velocity, which is the state of the moving object in the water, will be described in detail using the results derived above.

상태 추정 과정State estimation process

본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 방법은 시각 ti에서 수중 이동체의 상태 x(ti)를 구하는 것이다. 또한, 상태 x(ti)에 대한 불확실도(오차 공분산) Σ(ti)도 동시에 구한다. 상태 x(ti)와 불확실도 Σ(ti)는 다음 시각 ti +1에서 입력 값으로 사용된다. The position and velocity estimation method of the underwater vehicle according to the present invention is to obtain the state x (t i ) of the underwater vehicle at time t i . Also, the uncertainty (error covariance) Σ (t i ) for the state x (t i ) is obtained at the same time. The state x (t i ) and the uncertainty Σ (t i ) are used as input values at the next time t i +1 .

도 2는 본 발명에 따른 상태 추정 과정을 수학식으로 나타낸 것이다. 도 2는 상태 추정 과정을 단계별로 나누고 각 단계에서 처리 내용을 수학식으로 표현하였다.FIG. 2 illustrates a state estimation process according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a flowchart illustrating the state estimation process.

상태 추정 과정은 상태 x(ti) 및 상태의 불확실도 Σ(ti)를 구하는 과정으로, 시각 ti -1에서 구한 수중 이동체의 상태 x(ti -1), 상태 불확실도 Σ(ti -1), 시각 ti에서의 측정 z(ti)를 사용한다. State estimation process state x (t i) and a state of uncertainty Σ (t i) of the process of obtaining, at time t i -1 state x of the underwater movable body obtained in (t i -1), the uncertainty condition Σ (t i - 1 ), and the measurement z (t i ) at time t i is used.

도 3은 본 발명에 다른 상태 추정 과정을 순서도로 나타낸 것이다. FIG. 3 is a flowchart illustrating a state estimation process according to the present invention.

도 2 및 도 3을 참조하여, 상태 추정 과정을 상세히 설명한다. The state estimation process will be described in detail with reference to FIG. 2 and FIG.

먼저, 단계 S10에서, 상태 변환 모델을 이용하여 수중 이동체의 상태 x - (ti)를 예측한다. 즉, 수중 이동체의 상태 x(ti - 1)와 상태 변환 행렬 G(ti)를 이용하여 상태 x - (ti)를 예측한다(도 2의 라인 1 참조). 단계 S10에서 산출된 값은 예측 상태 x - (ti)이다. First, in step S10, the state x - (t i ) of the mobile body is predicted using the state transformation model. That is, the underwater mobile state x predicts (t i) (see line 1 in Fig. 2) - - state x by using the (t i 1) to the state transformation matrix G (t i). The value calculated in step S10 is the predicted state x - (t i ).

단계 S20에서, 예측 상태 x - (ti)에 대한 불확실도 Σ-(ti)를 구한다. 불확실도 Σ-(ti)는 상태 변환 행렬 G(ti), 상태 변환 모델의 오차 공분산 Q(ti), 상태 불확실도 Σ(ti - 1)를 이용하여 예측한다(도 2의 라인 2 참조). 상태 변환 모델의 오차 공분산 Q(ti)가 클수록 예측 상태에 대한 불확실도가 커진다. 또한, 상태 불확실도 Σ(ti - 1)가 클수록 예측 상태에 대한 불확실도가 커진다. 단계 2에서 산출된 값은 예측 상태 불확실도 Σ-(ti)이다. In step S20, the uncertainty Σ - (t i ) for the predicted state x - (t i ) is obtained. The uncertainty Σ - (t i) is the state transformation matrix G (t i), the error covariance Q (t i) of the state transition model, the state uncertainty Σ - is predicted by using the (t i 1) (line in Fig. 22, see ). The larger the error covariance Q (t i ) of the state transformation model, the greater the uncertainty with respect to the predicted state. Also, the larger the state uncertainty Σ (t i - 1 ), the greater the uncertainty for the predicted state. The value calculated in step 2 is the predicted state uncertainty Σ - (t i ).

단계 S30에서, 예상 측정 z - (ti)를 구한다. z - (ti)는 수중 이동체가 예측 상태 x - (ti)에 있다고 가정하여 측정 모델 함수 h(·)를 적용하여 구한다(도 2의 라인 3 참조). In step S30, the predicted measurement z - (t i ) is obtained. z - (t i ) is obtained by applying the measurement model function h (·) assuming that the underwater vehicle is in the predicted state x - (t i ) (see line 3 in FIG. 2).

단계 S40에서, 보정을 위한 보정이득 K(ti)를 구한다. 보정이득 K(ti)는 예측 상태 x - (ti), 예측 상태 불확실도 Σ-(ti)를 보정하기 위해 사용된다. In step S40, the correction gain K (t i ) for correction is obtained. The correction gain K (t i ) is used to correct the predicted state x - (t i ) and the predicted state uncertainty Σ - (t i ).

도 4는 보정이득 계산 과정을 나타낸 순서도이다. 4 is a flowchart showing a correction gain calculation process.

도 4를 참조하면, 먼저 단계 S42에서, 예상 측정 z - (ti)에 대한 불확실도 S(ti)를 구한다. 불확실도 S(ti)는 예측 상태 불확실도 Σ-(ti), 측정모델 행렬 H(ti), 측정모델의 오차 공분산 R(ti)를 이용하여 예측한다(도 2의 라인 4 참조). 측정 모델의 오차 공분산 R(ti)가 클수록 예측 측정에 대한 불확실도가 커진다. 또한, 예측 상태 불확실도 Σ-(ti)가 클수록 예측 상태에 대한 불확실도가 커진다. 단계 S42에서 산출된 값은 예상 측정 불확실도 S(ti)이다. Referring to Fig. 4, first in step S42, the uncertainty S (t i ) for the estimated measurement z - (t i ) is obtained. The uncertainty S (t i ) is predicted using the predicted state uncertainty Σ - (t i ), the measurement model matrix H (t i ) and the error covariance R (t i ) of the measurement model (see line 4 in FIG. The larger the error covariance R (t i ) of the measurement model, the greater the uncertainty in the predicted measurement. Also, the larger the uncertainty of prediction state Σ - (t i ), the greater the uncertainty about the predicted state. The value calculated in step S42 is the estimated measurement uncertainty S (t i ).

다음 단계 S44에서, 예측 상태 x - (ti)와 예상 측정 z - (ti)의 상호 오차 의존도(교차 공분산) Σ- xz(ti)을 구한다. 상호 오차 의존도는 예측 상태 불확실도 Σ-(ti)와 측정 모델 행렬 H(ti)를 이용하여 구한다(도 2의 라인 5 참조). 예측 상태 x - (ti)의 오차가 커질 때 예상 측정 z - (ti)의 오차가 커진다면 상호 오차 의존도 Σ- xz(ti)의 값이 커진다. In the next step S44, the predicted state x - mutual dependence error (cross-covariance) of (t i) Σ - - (t i) and the estimated measurement z calculate the xz (t i). The mutual error dependence is obtained using the predicted state uncertainty Σ - (t i ) and the measurement model matrix H (t i ) (see line 5 in FIG. 2). If the error of the predicted measure z - (t i ) becomes large when the error of the predicted state x - (t i ) becomes large, the value of the mutual error dependence Σ - xz (t i ) becomes large.

마지막으로 단계 S46에서, 상호 오차 의존도와 예상 측정 불확실도를 이용하여 보정이득을 산출한다. Finally, in step S46, the correction gain is calculated using the mutual error dependence and the predicted measurement uncertainty.

예측 상태 불확실도 Σ-(ti)가 클수록 측정 정보 z(ti)에 의한 보정이 커져야 한다. 또한, 예측 측정 불확실도 S(ti)가 작을수록 측정 정보 z(ti)에 의한 보정이 커져야 한다. 따라서 보정이득 K(ti)는 예측 상태 불확실도 Σ-(ti)에 비례하고 예상 측정 불확실도 S(ti)에 반비례하도록 설계된다. The larger the predicted state uncertainty Σ - (t i ), the greater the correction by the measurement information z (t i ). In addition, the smaller the predicted measurement uncertainty S (t i ), the larger the correction by the measurement information z (t i ). Thus, the correction gain K (t i ) is designed to be proportional to the predicted state uncertainty Σ - (t i ) and inversely proportional to the expected measurement uncertainty S (t i ).

이러한 보정이득 K(ti)을 단계 S44의 상호 오차 의존도를 이용하여 설명하면, 보정이득 K(ti)는 상호 오차 의존도 Σ- xz(ti)에 비례하고 예상 측정 불확실도 S(ti)에 반비례하게 된다(도 2의 라인 6 참조). Referring to such a correction gain K (t i) by using a cross-error dependence of the step S44, the correction gain K (t i) is cross-error dependence Σ - xz (t i) in proportion to expected measurement uncertainty S (t i) in (See line 6 in Fig. 2).

이어서 단계 S50에서, 예측 상태 x - (ti)를 보정하여 최적의 상태 x(ti)를 구한다. 최적의 상태 x(ti)는 보정이득 K(ti)에 실제 측정과 예상 측정의 차이값을 곱하여 보정값을 구하고 이 보정값에 예측 상태 x - (ti)를 더하여 구한다(도 2의 라인 7 참조). Subsequently, in step S50, the optimum state x (t i ) is obtained by correcting the predicted state x - (t i ). The optimum state x (t i ) is obtained by multiplying the correction gain K (t i ) by the difference between the actual measurement and the predicted measurement to obtain a correction value and adding the predicted state x - (t i ) to the correction value Line 7).

예상 측정 z - (ti)은 예측 상태 x - (ti)로부터 구하고, 실제 측정 z(ti)은 실제 음향신호의 주파수를 측정하여 구하는 것이므로 실제 상태 x(ti)에 의해서 결정된다. 따라서 예측 상태 x - (ti)와 실제 상태 x(ti)의 차이가 클수록 예상 측정 z - (ti)과 실제 측정 z(ti)의 차이가 커진다. 예상 측정 z - (ti)과 실제 측정 z(ti)의 차이가 클수록 또한 보정이득 K(ti)이 클수록 큰 보정이 이루어진다. Expected measurement z - (t i) is predicted state x - obtain from the (t i), the actual measurement z (t i) is because to obtain by measuring the frequency of the actual sound signal is determined by the actual state x (t i). Thus, the larger the difference between the predicted state x - (t i ) and the actual state x (t i ), the greater the difference between the predicted measurement z - (t i ) and the actual measurement z (t i ). The larger the difference between the predicted measurement z - (t i ) and the actual measurement z (t i ) and the larger the correction gain K (t i ), the larger the correction is made.

단계 S60에서, 예측 상태 불확실도 Σ-(ti)를 보정하여 최적의 상태 불확실도 Σ(ti)를 구한다. 단계 S50의 상태 보정과 마찬가지로 보정이득 K(ti)이 클수록 큰 보정이 이루어진다. In step S60, the optimal state uncertainty Σ (t i ) is obtained by correcting the predicted state uncertainty Σ - (t i ). As in the case of the state correction in the step S50, the larger the correction gain K (t i ), the larger the correction is made.

최적의 상태 불확실도 Σ(ti)는 보정이득 K(ti)에 측정모델 행렬 H(ti)와 예측 상태 불확실도 Σ-(ti)를 곱하여 보정값을 구하고 예측 상태 불확실도 Σ-(ti)에서 보정값을 빼서 구한다(도 2의 라인 8 참조). 최적의 상태 불확실도 Σ(ti)는 예측 상태 불확실도 Σ-(ti)에서 보정값을 빼므로 예측 상태 불확실도 Σ-(ti)보다 작게 된다. Optimal state uncertainty Σ (t i) is the correction gain K (t i) the measurement model matrix H (t i) and the predicted state uncertainty in the Σ - (t i) the predicted state uncertainty obtain the correction value by multiplying Σ - (t i ) (See line 8 in Fig. 2). The optimal state uncertainty Σ (t i ) is less than the predicted state uncertainty Σ - (t i ) since the correction value is subtracted from the predicted state uncertainty Σ - (t i ).

이렇게 상태 x(ti)와 상태 불확실도 Σ(ti)가 산출된 이후, 단계 S70을 거쳐 다음 시각으로 넘어가면, 단계 S80에서 시각 ti +1에서 수신한 주파수가 측정되고, 상태 x(ti) 및 상태 불확실도 Σ(ti)와 함께(도 2의 라인 9 참조) 측정 z(ti + 1)이 시각 ti+1의 추정 과정에서 사용된다. After the state x (t i ) and the state uncertainty Σ (t i ) are calculated, if the next time passes through the step S70, the frequency received at the time t i +1 is measured in the step S80 and the state x a measurement z (t i + 1 ) is used in the estimation process at time t i + 1 (see line 9 in FIG. 2) with the state uncertainty Σ (t i )

도 5는 본 발명에 따른 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 장치의 개략적인 내부 구성을 나타낸 것이다. 도 5에 따른 구성은 수중 이동체(200)의 내부에 구비되어 있으나, 다른 실시예로서 제어부(30)가 별도의 외부 장치(미도시)에 설치될 수 있다. 이 경우 수중 이동체(200)와 외부 장치 간의 통신을 위한 장비가 더 필요할 수 있다. 5 is a schematic internal structure of an apparatus for estimating the position and velocity of an underwater vehicle according to the present invention. The configuration according to FIG. 5 is provided in the underwater mobile 200, but in another embodiment, the controller 30 may be installed in a separate external device (not shown). In this case, equipment for communication between the moving vehicle 200 and an external device may be further needed.

도 5를 참조하면, 음향신호 수신부(10)는 복수의 비컨(100)에서 출력된 음향신호를 수신한다. Referring to FIG. 5, the acoustic signal receiving unit 10 receives acoustic signals output from a plurality of beacons 100.

주파수 측정부(20)는 음향신호 수신부(10)에서 수신한 음향신호의 주파수를 측정한다. 수중 이동체(200)가 이동하면 도플러 효과에 의해 비컨(100)의 발신 주파수와 수중 이동체(200)의 수신 주파수가 서로 달라진다.The frequency measuring unit 20 measures the frequency of the sound signal received by the sound signal receiving unit 10. [ When the underwater mobile 200 moves, the frequency of the beacon 100 and the frequency of the underwater mobile 200 are different due to the Doppler effect.

제어부(30)는 추정 장치의 전반적인 동작을 제어하는 부분으로 수중 이동체의 위치 및 속도를 계산하기 위한 연산모듈을 구비한다. 연산모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어적으로 구현될 수 있다. The controller 30 controls the overall operation of the estimating device. The controller 30 includes a calculating module for calculating the position and velocity of the moving object. The computing module may be implemented in software or hardware.

메모리(40)는 복수 비컨의 위치정보 및 발신 주파수, 수중 이동체의 초기 위치정보를 저장하고 있으며, 제어부(30)의 연산 처리에 의해 발생된 각종 데이터를 저장한다. 또한 메모리(40)는 수중 이동체의 상태 추정을 위한 프로그램을 저장하고 있다. The memory 40 stores location information of a plurality of beacons, an originating frequency, and initial position information of a moving object in the water, and stores various data generated by the arithmetic processing of the controller 30. [ In addition, the memory 40 stores a program for estimating the state of the underwater vehicle.

제어부(30)는 프로그램을 실행하여 기저장된 복수 비컨의 위치 및 발신 주파수, 각 시각에 수신되어 측정된 음향신호의 주파수를 이용하여 수중 이동체의 초기 상태로부터 시각별 상태를 계산하게 된다.The control unit 30 executes a program to calculate a state by time from the initial state of the moving vehicle using the position and frequency of the previously stored beacons and the frequency of the acoustic signal measured and received at each time.

시뮬레이션simulation

도 6은 시뮬레이션에 사용한 조건을 나타낸 것이다. 6 shows the conditions used in the simulation.

8개의 비컨을 사용하며 각 비컨의 설치 위치 및 주파수를 지정하였다. 또한, 수중 이동체의 초기 위치 및 이동속도를 설정하였다. 시뮬레이션 조건에서 수중 이동체는 총 500초(8분 20초) 동안 운항하였다. Eight beacons are used and the location and frequency of each beacon are specified. In addition, the initial position and the moving speed of the underwater vehicle were set. Under simulated conditions, the underwater vehicle operated for a total of 500 seconds (8 minutes 20 seconds).

도 7은 시뮬레이션 결과를 나타내고, 도 8은 xy 평면의 위치 추정 결과를 나타내고, 도 9는 xz 평면의 위치 추정 결과를 나타낸다. Fig. 7 shows the simulation result, Fig. 8 shows the position estimation result of the xy plane, and Fig. 9 shows the position estimation result of the xz plane.

시뮬레이션 결과는 비컨의 위치 및 발신 주파수, 수중 이동체의 초기 위치와 이동속도 및 총 이동시간에 따라 달라질 수 있다. The simulation results may vary depending on the beacon location and frequency, the initial location and movement speed of the underwater mobile, and the total travel time.

추정된 수중 이동체의 위치 및 속도의 정확성은 실제 위치 및 속도와 추정된 위치 및 속도의 차이를 통하여 알 수 있다. 위치 및 속도의 오차는 x, y, z 방향에서의 차이로 구하였다.The estimated position and velocity accuracy of the underwater vehicle can be found through the difference between the actual position and velocity and the estimated position and velocity. The error of the position and velocity was obtained by the difference in the x, y and z directions.

x, y, z 방향 위치의 오차 평균은 각각 0.2905m, 0.2321m, 0.2803m로서, 전체적으로 0.3m 이내이다.The error averages of x, y and z directions are 0.2905m, 0.2321m and 0.2803m, respectively, which are within 0.3m in total.

x, y, z 방향 위치의 오차 최대값은 각각 2.0561m, 1.8437m, 1.6715m로서, 전체적으로 2.1m 이내이다.The maximum error values in the x, y, and z directions are 2.0561m, 1.8437m, and 1.6715m, respectively, and within 2.1m overall.

x, y, z 방향 속도의 오차 평균은 각각 0.0046m/s, 0.0050m/s, 0.0051m/s로서, 전체적으로 0.0051m/s 이내이다.The error averages of x, y, and z direction velocities are 0.0046 m / s, 0.0050 m / s, and 0.0051 m / s, respectively.

x, y, z 방향 속도의 오차 최대값은 각각 0.0212m/s, 0.0284m/s, 0.0207m/s 로서, 전체적으로 0.03m/s 이내이다.The maximum errors in the x, y, and z direction velocities are 0.0212m / s, 0.0284m / s, and 0.0207m / s, respectively, and are within 0.03m / s overall.

x, y, z 방향 위치의 평균 제곱근 오차(root mean square)는 각각 0.4049m, 0.3328m, 0.3645m로서, 전체적으로 0.41m 이내이다.The mean square root mean square errors in the x, y, and z directions are 0.4049 m, 0.3328 m, and 0.3645 m, respectively, and are within 0.41 m overall.

x, y, z 방향 속도의 평균 제곱근 오차(root mean square)는 각각 0.0057m/s, 0.0063m/s, 0.0064m/s로서, 전체적으로 0.0065m/s 이내이다. The root mean square error of the velocity in the x, y and z directions is 0.0057m / s, 0.0063m / s and 0.0064m / s, respectively, and is 0.0065m / s or less overall.

모든 방향(3차원)의 위치 오차를 고려한 거리 오차는 평균, 최대, 평균 제곱근이 각각 0.5252m, 3.2732m, 0.0638m이다.The distance error considering the position error of all directions (three dimensional) is 0.5252m, 3.2732m, and 0.0638m, respectively.

상기 위치 및 속도 오차는 수중 이동체의 운항 영역이 x, y, z 방향으로 각각 60m, 150m, 50m이고 최대 속도가 x, y, z 방향으로 각각 3m/s, 3m/s, 2m/s 임을 고려할 때, 실제 사용시 허용 가능한 범위 내에 있음을 알 수 있다.The position and velocity errors are considered to be 3m / s, 3m / s and 2m / s respectively in the x, y and z directions and the maximum velocity in the directions of x, y and z respectively in the direction of the underwater mobile body is 60m, 150m and 50m , It can be seen that it is within an allowable range in actual use.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. The foregoing description is merely illustrative of the present invention, and various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention.

따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다. Accordingly, the embodiments disclosed in the specification of the present invention are not intended to limit the present invention. The scope of the present invention should be construed according to the following claims, and all the techniques within the scope of equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

10: 음향신호 수신부 20: 주파수 측정부
30: 제어부 40: 메모리
100: 비컨 200: 수중 이동체
10: Acoustic signal receiving unit 20: Frequency measuring unit
30: control unit 40: memory
100: Beacon 200: Underwater vehicle

Claims (37)

서로 다른 주파수를 가진 음향신호를 출력하는 복수의 비컨과 상기 복수의 비컨으로부터 음향신호를 수신하는 수중 이동체로 구성되는 시스템에서 수중 이동체의 상태(state)로서 위치 및 속도를 추정하는 방법에 있어서,
이전 시점의 수중 이동체의 상태로부터 현재 시점의 수중 이동체의 상태를 예측하여 예측 상태를 산출하는 단계와,
이전 시점의 상태 불확실도로부터 현재 시점의 예측 상태 불확실도를 산출하는 단계와,
상기 예측 상태를 이용하여 수중 이동체가 현재 시점에서 수신한 음향신호의 주파수로서 측정(measurement)을 예상하여 예상 측정을 산출하는 단계와,
상기 예측 상태 불확실도를 이용하여 현재 시점의 예상 측정 불확실도를 산출하는 단계와,
상기 예측 상태와 상기 예상 측정의 상호 오차 의존도를 산출하는 단계와,
상기 상호 오차 의존도 및 상기 예상 측정 불확실도를 이용하여 보정 이득을 산출하는 단계와,
상기 예측 상태와 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 상태를 산출하는 단계와,
상기 예측 상태 불확실도와 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 상태 불확실도를 산출하는 단계를 포함하는 방법.
A method for estimating a position and a velocity as a state of a moving object in a system comprising a plurality of beacons outputting acoustic signals having different frequencies and an underwater vehicle receiving acoustic signals from the plurality of beacons,
Calculating a predicted state by predicting a current state of the underwater mobile body from the state of the underwater mobile body at the previous time point;
Calculating a predicted state uncertainty at a current time point from a state uncertainty at a previous time point;
Estimating a measurement as a frequency of an acoustic signal received at a current time by the underwater vehicle using the predicted state,
Calculating a predicted measurement uncertainty at the current time point using the predicted state uncertainty;
Calculating a mutual error dependency of the predicted state and the predicted state;
Calculating a correction gain using the mutual error dependence and the estimated measurement uncertainty;
Calculating a state of a current time point using the predicted state and the correction gain;
And calculating a state uncertainty at the current time point using the predicted state uncertainty and the correction gain.
제1항에 있어서,
상기 예측 상태를 산출하는 단계는 상기 이전 시점의 상태와 상태 변환 행렬을 곱하여 상기 예측 상태를 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of calculating the predicted state multiplies the state at the previous time by the state transformation matrix to obtain the predicted state.
제1항에 있어서,
상기 예측 상태 불확실도를 산출하는 단계는 상기 이전 시점의 상태 불확실도, 상태 변환 행렬 및 상태 변환 모델의 오차 공분산 행렬을 이용하여 상기 예측 상태 불확실도를 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of calculating the predicted state uncertainty comprises obtaining the predicted state uncertainty using the state uncertainty of the previous time, the state transformation matrix, and the error covariance matrix of the state transformation model.
제1항에 있어서,
상기 예상 측정을 산출하는 단계는 측정 모델 함수에 상기 예측 상태를 대입하여 상기 예상 측정을 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of calculating the predicted measurement includes substituting the predicted state into a measurement model function to obtain the predicted measurement.
제1항에 있어서,
상기 예상 측정 불확실도를 산출하는 단계는 상기 예측 상태 불확실도, 측정 모델 행렬 및 측정 모델의 오차 공분산 행렬을 이용하여 상기 예상 측정 불확실도를 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of calculating the predicted measurement uncertainty comprises obtaining the predicted measurement uncertainty using the predicted state uncertainty, the measurement model matrix, and the error covariance matrix of the measurement model.
제1항에 있어서,
상기 상호 오차 의존도를 산출하는 단계는 상기 예측 상태 불확실도 및 측정 모델 행렬을 이용하여 상기 상호 오차 의존도를 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of calculating the mutual error dependency comprises obtaining the mutual error dependence using the predicted state uncertainty and the measurement model matrix.
제1항에 있어서,
상기 보정 이득을 산출하는 단계는 상기 상호 오차 의존도를 상기 예상 측정 불확실도로 나누어 상기 보정 이득을 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the calculating the correction gain comprises dividing the mutual error dependence by the expected measurement uncertainty to obtain the correction gain.
제1항에 있어서,
상기 현재 시점의 상태를 산출하는 단계는 상기 보정 이득에 실제 측정과 상기 예상 측정의 차이값을 곱하여 보정값을 구하고 이 보정값에 상기 예측 상태를 더하여 상기 현재 시점의 상태를 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the calculating of the state at the current time is performed by obtaining a correction value by multiplying the correction gain by an actual measurement and a difference value of the predicted measurement and adding the prediction state to the correction value to obtain the state of the current time .
제1항에 있어서,
상기 현재 시점의 상태 불확실도를 산출하는 단계는 상기 보정 이득에 측정모델 행렬과 예측 상태 불확실도를 곱하여 보정값을 구하고 예측 상태 불확실도에서 보정값을 빼서 상기 현재 시점의 상태 불확실도를 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the state uncertainty of the current time is calculated by obtaining a correction value by multiplying the correction gain by a measurement model matrix and a prediction state uncertainty and subtracting a correction value from a prediction state uncertainty to obtain a state uncertainty of the current time point.
서로 다른 주파수를 가진 음향신호를 출력하는 복수의 비컨과 상기 복수의 비컨으로부터 음향신호를 수신하는 수중 이동체로 구성된 시스템에서 수중 이동체의 상태(state)로서 위치 및 속도를 추정하는 방법에 있어서,
상기 복수의 비컨 위치 및 음향신호의 발신 주파수를 제공하는 단계와,
상기 수중 이동체가 상기 복수의 비컨으로부터 수신한 음향신호의 주파수를 측정하는 단계와,
상기 복수의 비컨 위치 정보, 상기 복수의 음향신호의 발신 주파수 정보 및 상기 수중 이동체의 수신 주파수 정보를 이용하여 상기 수중 이동체의 상태를 추정하는 단계를 포함하는 방법.
A method for estimating a position and a velocity as a state of a moving object in a system comprising a plurality of beacons outputting acoustic signals having different frequencies and an underwater vehicle receiving acoustic signals from the plurality of beacons,
Providing a plurality of beacon locations and an originating frequency of the acoustic signal;
Measuring a frequency of an acoustic signal received by the underwater vehicle from the plurality of beacons;
And estimating the state of the underwater vehicle using the plurality of beacon position information, the frequency information of the plurality of acoustic signals, and the reception frequency information of the underwater vehicle.
제10항에 있어서,
상기 수중 이동체의 상태를 추정하는 단계는 이전 시점의 상태로부터 현재 시점의 상태를 예측하는 과정과,
상기 예측 상태를 이용하여 상기 수중 이동체가 수신한 음향신호의 주파수를 예상하는 과정과,
상기 예측 상태의 불확실도 및 상기 예상 주파수의 불확실도를 이용하여 보정 이득을 산출하는 과정과,
상기 실제 측정 주파수, 상기 예상 주파수 및 상기 보정이득을 이용하여 예측 상태를 보정함으로써 현재 시점의 상태를 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. The method of claim 10,
Estimating the state of the underwater vehicle includes the steps of: predicting a state of the current time point from a state at a previous time point;
Estimating a frequency of an acoustic signal received by the underwater vehicle using the predictive state;
Calculating a correction gain using the uncertainty of the predicted state and the uncertainty of the expected frequency;
And calculating a state of the current point by correcting the predicted state using the actual measured frequency, the expected frequency, and the corrected gain.
제11항에 있어서,
상기 현재 시점의 상태를 예측하는 과정은 이전 시점의 상태와 현재 시점의 상태가 급격하게 변하지 않는다는 가정에 따른 모델링에 근거하여 예측하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the step of predicting the state of the current time point is based on modeling based on the assumption that the state at the previous time point and the state at the current time point do not change abruptly.
제11항에 있어서,
상기 음향신호의 주파수를 예상하는 과정은 주파수가 상태에 의하여 어떻게 결정되는지 나타낼 수 있는 수학적 모델링에 근거하여 상기 예측 상태에 대응하는 주파수를 예상하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the step of predicting the frequency of the acoustic signal predicts a frequency corresponding to the predicted state based on mathematical modeling that can indicate how the frequency is determined by the state.
제11항에 있어서,
상기 예측 상태의 불확실도 및 상기 예상 주파수의 불확실도를 이용하여 보정 이득을 산출하는 과정은 상기 예측 상태의 불확실도가 클수록 상기 실제 측정 주파수에 의한 보정이 커지고 상기 예상 주파수의 불확실도가 작을수록 상기 실제 측정 주파수에 의한 보정이 커지는 원리에 따라 상기 예측 상태의 불확실도에 비례하고 상기 예상 주파수의 불확실도에 반비례하도록 상기 보정 이득을 설계하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the step of calculating the correction gain by using the uncertainty of the predicted state and the uncertainty of the expected frequency is characterized in that as the uncertainty of the predicted state is larger, the correction by the actual measured frequency becomes larger and as the uncertainty of the expected frequency becomes smaller, Wherein the correction gain is designed to be in proportion to the uncertainty of the predicted state and inversely proportional to the uncertainty of the expected frequency according to the principle that the correction due to the increase of the predicted state is large.
제11항에 있어서,
상기 현재 시점의 상태를 산출하는 과정은 상기 보정 이득에 실제 측정 주파수와 상기 예상 주파수의 차이값을 곱하여 보정값을 구하고 이 보정값에 상기 예측 상태를 더하여 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the calculating of the state at the current time is performed by obtaining a correction value by multiplying the correction gain by the difference between the actual measurement frequency and the expected frequency and adding the predicted state to the correction value.
서로 다른 주파수를 가진 음향신호를 출력하는 복수의 비컨과 상기 복수의 비컨으로부터 음향신호를 수신하는 수중 이동체로 구성되는 시스템에서 수중 이동체의 상태(state)로서 위치 및 속도를 추정하는 방법에 있어서,
수중 이동체가 현재 시점에서 수신한 음향신호의 주파수를 측정하는 단계와,
이전 시점의 수중 이동체의 상태로부터 현재 시점의 수중 이동체의 상태를 예측하여 예측 상태를 산출하는 단계와,
상기 예측 상태를 이용하여 수중 이동체가 현재 시점에서 수신한 음향신호의 주파수로서 측정(measurement)을 예상하여 예상 측정을 산출하는 단계와,
상기 예측 상태를 보정하기 위한 보정 이득을 산출하는 단계와,
상기 예측 상태, 상기 측정 주파수 및 상기 예상 측정 그리고 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 상태를 산출하는 단계를 포함하는 방법.
A method for estimating a position and a velocity as a state of a moving object in a system comprising a plurality of beacons outputting acoustic signals having different frequencies and an underwater vehicle receiving acoustic signals from the plurality of beacons,
Measuring a frequency of an acoustic signal received by the underwater vehicle at a current time;
Calculating a predicted state by predicting a current state of the underwater mobile body from the state of the underwater mobile body at the previous time point;
Estimating a measurement as a frequency of an acoustic signal received at a current time by the underwater vehicle using the predicted state,
Calculating a correction gain for correcting the prediction state;
Calculating the state of the current point of time using the predicted state, the measured frequency and the predicted measurement and the corrected gain.
제16항에 있어서,
상기 보정 이득을 산출하는 단계는
이전 시점의 상태 불확실도로부터 현재 시점의 예측 상태 불확실도를 산출하는 과정과,
상기 예측 상태 불확실도를 이용하여 현재 시점의 예상 측정 불확실도를 산출하는 과정과,
상기 예측 상태와 상기 예상 측정의 상호 오차 의존도를 산출하는 과정과,
상기 상호 오차 의존도 및 상기 예상 측정 불확실도를 이용하여 보정 이득을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. The method of claim 16,
The step of calculating the correction gain
Calculating a predicted state uncertainty at a current time point from a state uncertainty at a previous time point;
Calculating a predicted measurement uncertainty at the current time using the predicted state uncertainty;
Calculating a mutual error dependency of the predicted state and the predicted state;
And calculating the correction gain using the mutual error dependence and the expected measurement uncertainty.
제17항에 있어서,
상기 예측 상태 불확실도 및 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 상태 불확실도를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. The method of claim 17,
Further comprising calculating a state uncertainty at a current time point using the predicted state uncertainty and the correction gain.
복수의 비컨으로부터 서로 다른 주파수를 가진 음향신호를 수신하여 수중 이동체의 상태로서 위치 및 속도를 추정하는 수중 이동체에 있어서,
상기 수중 이동체는 이전 시점의 수중 이동체의 상태로부터 현재 시점의 수중 이동체의 상태를 예측하여 예측 상태를 산출하고,
이전 시점의 상태 불확실도로부터 현재 시점의 예측 상태 불확실도를 산출하고,
상기 예측 상태를 이용하여 수중 이동체가 현재 시점에서 수신한 음향신호의 주파수로서 측정(measurement)을 예상하여 예상 측정을 산출하고,
상기 예측 상태 불확실도를 이용하여 현재 시점의 예상 측정 불확실도를 산출하고,
상기 예측 상태와 상기 예상 측정의 상호 오차 의존도를 산출하고,
상기 상호 오차 의존도 및 상기 예상 측정 불확실도를 이용하여 보정 이득을 산출하고,
상기 예측 상태와 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 상태를 산출하고,
상기 예측 상태 불확실도와 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 상태 불확실도를 산출하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체.
1. An underwater vehicle for receiving an acoustic signal having a different frequency from a plurality of beacons and estimating a position and a velocity as a state of the underwater vehicle,
The underwater vehicle estimates the state of the underwater vehicle at the current time from the state of the underwater vehicle at the previous time point,
Calculating a predicted state uncertainty of the current point from the state uncertainty of the previous point of time,
Estimating a measurement as a frequency of an acoustic signal received at a current time by the moving object underwater using the predicted state,
Calculating a predicted measurement uncertainty at the current time point using the predicted state uncertainty,
Calculating a mutual error dependency of the predicted state and the predicted state,
Calculating a correction gain using the mutual error dependence and the estimated measurement uncertainty,
Calculates a state of the current point of time using the predicted state and the correction gain,
And calculates a state uncertainty at the current time point by using the predicted state uncertainty and the correction gain.
제19항에 있어서,
상기 수중 이동체는 상기 이전 시점의 상태와 상태 변환 행렬을 곱하여 상기 예측 상태를 구하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체.
20. The method of claim 19,
Wherein the underwater vehicle obtains the predicted state by multiplying the state at the previous point by the state transformation matrix.
제19항에 있어서,
상기 수중 이동체는 상기 이전 시점의 상태 불확실도, 상태 변환 행렬 및 상태 변환 모델의 오차 공분산 행렬을 이용하여 상기 예측 상태 불확실도를 구하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체.
20. The method of claim 19,
Wherein the underwater vehicle obtains the predicted state uncertainty using the state uncertainty at the previous time point, the state transformation matrix, and the error covariance matrix of the state transformation model.
제19항에 있어서,
상기 수중 이동체는 측정 모델 함수에 상기 예측 상태를 대입하여 상기 예상 측정을 구하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체.
20. The method of claim 19,
Wherein the underwater vehicle obtains the predicted measurement by substituting the predicted state into a measurement model function.
제19항에 있어서,
상기 수중 이동체는 상기 예측 상태 불확실도, 측정 모델 행렬 및 측정 모델의 오차 공분산 행렬을 이용하여 상기 예상 측정 불확실도를 구하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체.
20. The method of claim 19,
Wherein the underwater vehicle obtains the predicted measurement uncertainty using the error covariance matrix of the predicted state uncertainty, the measurement model matrix and the measurement model.
제19항에 있어서,
상기 수중 이동체는 상기 예측 상태 불확실도 및 측정 모델 행렬을 이용하여 상기 상호 오차 의존도를 구하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체.
20. The method of claim 19,
Wherein the underwater vehicle obtains the mutual error dependence using the predicted state uncertainty and the measurement model matrix.
제19항에 있어서,
상기 수중 이동체는 상기 상호 오차 의존도를 상기 예상 측정 불확실도로 나누어 상기 보정 이득을 구하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체.
20. The method of claim 19,
Wherein the underwater vehicle obtains the correction gain by dividing the mutual error dependence by the estimated measurement uncertainty.
제19항에 있어서,
상기 수중 이동체는 상기 보정 이득에 실제 측정과 상기 예상 측정의 차이값을 곱하여 보정값을 구하고 이 보정값에 상기 예측 상태를 더하여 상기 현재 시점의 상태를 구하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체.
20. The method of claim 19,
Wherein the underwater vehicle obtains a correction value by multiplying the correction gain by an actual measurement and a difference value of the predicted measurement, and adds the predicted state to the correction value to obtain the state of the current time.
제19항에 있어서,
상기 수중 이동체는 상기 보정 이득에 측정모델 행렬과 예측 상태 불확실도를 곱하여 보정값을 구하고 예측 상태 불확실도에서 보정값을 빼서 상기 현재 시점의 상태 불확실도를 구하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체.
20. The method of claim 19,
Wherein the underwater vehicle obtains a correction value by multiplying the correction gain by a measurement model matrix and a prediction state uncertainty, and subtracts a correction value from the prediction state uncertainty to obtain a state uncertainty at the current time.
서로 다른 주파수를 가진 음향신호를 출력하는 복수의 비컨과,
상기 복수의 비컨으로부터 음향신호를 수신하면 수신한 음향신호의 주파수를 측정하고 상기 복수의 비컨 위치, 상기 복수의 음향신호의 발신 주파수 및 상기 측정한 수신 주파수를 이용하여 수중 이동체의 상태로서 위치 및 속도를 추정하는 추정 장치를 포함하는 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 시스템.
A plurality of beacons for outputting acoustic signals having different frequencies,
Receiving a sound signal from the plurality of beacons; measuring a frequency of the received sound signal; determining a position and a speed as a state of the underwater mobile body by using the plurality of beacon positions, the frequency of the plurality of sound signals, And estimating the position and velocity of the moving object.
제28항에 있어서,
상기 추정 장치는 이전 시점의 상태로부터 현재 시점의 상태를 예측하고,
상기 예측 상태를 이용하여 상기 수중 이동체가 수신한 음향신호의 주파수를 예상하고,
상기 예측 상태의 불확실도 및 상기 예상 주파수의 불확실도를 이용하여 보정 이득을 산출하고,
상기 측정한 수신 주파수, 상기 예상 주파수 및 상기 보정이득을 이용하여 예측 상태를 보정함으로써 현재 시점의 수중 이동체의 상태를 산출하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 시스템.
29. The method of claim 28,
The estimating device predicts the state of the current point of time from the state of the previous point of time,
Estimating a frequency of an acoustic signal received by the underwater vehicle using the predicted state,
Calculating a correction gain using the uncertainty of the predicted state and the uncertainty of the expected frequency,
And estimates the state of the moving object in the water at the current time by correcting the predicted state using the measured reception frequency, the expected frequency, and the correction gain.
제29항에 있어서,
상기 추정 장치는 이전 시점의 상태와 현재 시점의 상태가 급격하게 변하지 않는다는 가정에 따른 모델링에 근거하여 현재 시점의 상태를 예측하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 시스템.
30. The method of claim 29,
Wherein the estimating device predicts the state of the current point of time based on modeling based on the assumption that the state at the previous time and the state at the current time do not change abruptly.
제29항에 있어서,
상기 추정 장치는 주파수가 상태에 의하여 어떻게 결정되는지 나타낼 수 있는 수학적 모델링에 근거하여 상기 예측 상태에 대응하는 주파수를 예상하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 시스템.
30. The method of claim 29,
Wherein the estimating device predicts a frequency corresponding to the predicted state based on a mathematical modeling that can indicate how the frequency is determined by the state.
제29항에 있어서,
상기 추정 장치는 상기 예측 상태의 불확실도가 클수록 상기 측정한 수신 주파수에 의한 보정이 커지고 상기 예상 주파수의 불확실도가 작을수록 상기 측정한 수신 측정 주파수에 의한 보정이 커지는 원리에 따라 상기 예측 상태의 불확실도에 비례하고 상기 예상 주파수의 불확실도에 반비례하도록 상기 보정 이득을 설계하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 시스템.
30. The method of claim 29,
Wherein the estimating device is configured to calculate a correlation between the uncertainty of the predicted state and the uncertainty of the predicted state according to the principle that the correction by the measured reception frequency increases as the uncertainty of the predicted state becomes larger and as the uncertainty of the expected frequency becomes smaller, And the correction gain is designed to be in inverse proportion to the uncertainty of the expected frequency.
제29항에 있어서,
상기 추정 장치는 상기 보정 이득에 상기 측정한 수신 주파수와 상기 예상 주파수의 차이값을 곱하여 보정값을 구하고 이 보정값에 상기 예측 상태를 더하여 현재 시점의 수중 이동체의 상태를 구하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 시스템.
30. The method of claim 29,
Wherein the estimating device obtains a correction value by multiplying the correction gain by a difference value between the measured reception frequency and the expected frequency, and adds the predicted value to the correction value to obtain the current state of the moving object in the water. Position and velocity estimation system.
복수의 비컨으로부터 서로 다른 주파수를 가진 음향신호를 수신하는 음향 신호 수신부와,
상기 음향 수신부에서 수신한 음향신호의 주파수를 측정하는 주파수 측정부와,
이전 시점의 수중 이동체의 위치 및 속도로부터 현재 시점의 수중 이동체의 위치 및 속도를 예측하여 예측 위치 및 속도를 산출하고, 상기 예측 위치 및 속도를 이용하여 상기 음향신호 수신부가 현재 시점에서 수신한 음향신호의 주파수를 예상하여 예상 주파수를 산출하고, 상기 예측 위치 및 속도를 보정하기 위한 보정 이득을 산출하여, 상기 예측 위치 및 속도, 상기 측정 주파수 및 상기 예상 주파수 그리고 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 수중 이동체의 위치 및 속도를 산출하는 제어부를 포함하는 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 장치.
An acoustic signal receiver for receiving acoustic signals having different frequencies from a plurality of beacons;
A frequency measuring unit for measuring a frequency of the sound signal received by the sound receiver,
A predicted position and a velocity are calculated by predicting the position and velocity of the moving object in the water at the current time from the position and velocity of the moving object in the water at the previous point of time and the acoustic signal received by the acoustic signal receiving unit at the present time Calculating a predicted frequency by predicting a frequency of the predicted position and velocity, calculating a correction gain for correcting the predicted position and velocity, and calculating a correction gain for correcting the predicted position and velocity based on the predicted position and velocity, And a control unit for calculating a position and a velocity of the moving object.
제34항에 있어서,
상기 제어부는
이전 시점의 위치 및 속도 불확실도로부터 현재 시점의 예측 위치 및 속도 불확실도를 산출하고,
상기 예측 위치 및 속도 불확실도를 이용하여 현재 시점의 예상 주파수 불확실도를 산출하고,
상기 예측 위치 및 속도와 상기 예상 주파수의 상호 오차 의존도를 산출하여,
상기 상호 오차 의존도 및 상기 예상 주파수 불확실도를 이용하여 보정 이득을 산출하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 장치.
35. The method of claim 34,
The control unit
Calculating a predicted position and velocity uncertainty of the current point from the position and velocity uncertainty of the previous point,
Calculating an expected frequency uncertainty at the current time point using the predicted position and velocity uncertainty,
Calculating a dependency of mutual error between the predicted position and speed and the expected frequency,
Wherein the correction gain is calculated using the mutual error dependency and the estimated frequency uncertainty.
제35항에 있어서,
상기 제어부는 상기 예측 위치 및 속도 불확실도 및 상기 보정 이득을 이용하여 현재 시점의 위치 및 속도 불확실도를 산출하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 및 속도 추정 장치.
36. The method of claim 35,
Wherein the controller calculates the position and velocity uncertainty of the current point of time using the predicted position and velocity uncertainty and the correction gain.
제1항 내지 제9항에 의한 방법을 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.A computer-readable recording medium storing a program for executing the method according to any one of claims 1 to 9.
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