KR20180074960A - Gps signal receiver and reflectometry method for detecting road surface freezing - Google Patents

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임기영
이희순
정유정
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(주)지오룩스
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Abstract

Disclosed is an apparatus for measuring a global positioning system (GPS) reflection signal to detect an icy road, capable of preventing loss of life and property caused by a traffic accident. An apparatus for receiving a GPS signal to detect an icy road includes: a data logger for storing icy road detection information including phase information of the GPS signal, GPS satellite positioning information, and road position information; a reception module for receiving satellite observation information including the GPS signal and a phase and a unique number of the GPS signal, and a GPS reflection signal including right hand circular polarization (RHCP) and left hand circular polarization (LHCP), which are reflection signals of the GPS signal observed on a road which is a target observation point; and a determination module for determining a freezing state of the road based on a signal intensity of the GPS reflection signal collected by the reception module, the phase information of the GPS signal, and the satellite positioning information.

Description

도로노면 결빙 탐지용 GPS 반사 신호 측정 장치 및 방법{GPS SIGNAL RECEIVER AND REFLECTOMETRY METHOD FOR DETECTING ROAD SURFACE FREEZING}Technical Field [0001] The present invention relates to a GPS signal measurement device and method for detecting road surface freezing,

본 개시는 GPS 반사신호 측정 장치에 관한 것으로, 구체적으로 GPS 반사파를 수신하여 도로노면의 결빙 상태를 탐지하기 위한 GPS 반사 신호 측정 장치 및 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a GPS reflection signal measuring apparatus, and more particularly, to a GPS reflection signal measuring apparatus and method for detecting a freezing state of a road surface by receiving GPS reflected waves.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.Unless otherwise indicated herein, the contents set forth in this section are not prior art to the claims of this application and are not to be construed as prior art to be included in this section.

겨울철에 기온이 급격히 낮아지면 주요도로의 노면이 결빙되어 사고 위험이 높아진다. 특히, 도로 노면 결빙 현상 중 매년 겨울철에 발생하는 ‘블랙아이스’ 현상은 도로 위에 눈에 보이지 않는 빙판길을 만들어 매우 위험한 교통사고를 일으킨다. 블랙아이스는 투명한 얼음이 아스팔트 위를 마치 코팅한 것처럼 뒤덮어 운전자의 눈에는 도로에 얼음이 없는 건조한 상태로 보이는 현상이다. 비는 영상의 기온에서 내리지만 지상 기온이 영하이고 도로의 표면온도가 기온보다 더 낮은 영하까지 떨어지면 비가 내리는 순간 바닥에 얼게 된다. 블랙아이스는 주로 겨울철 기온이 낮은 새벽이나 아침에 그늘진 도로에서 자주 발생하며, 육안으로 보기에는 도로 색과 유사하거나 살짝 젖어 있는 방식으로 보이기 때문에 많은 운전자의 실수를 유발한다. 최근 경찰청이 조사한 최근 5년간 눈길교통사고는 7236건 가운데 사망자 892명 중 블랙아이스로 인한 사망자는 706명에 달했다 (뉴시스, 2014년 12월 11일)고 한다.If the temperature drops sharply in winter, the road surface of the main road will freeze, raising the risk of accidents. In particular, the 'black ice' phenomenon that occurs every winter during the road surface freezing phenomenon creates an invisible ice road on the road, causing a very dangerous traffic accident. Black ice is a phenomenon in which transparent ice covers over asphalt as if it were coated, and the driver's eyes appear dry without ice on the road. The rain falls from the image temperature, but when the surface temperature falls below zero and the surface temperature of the road falls below zero, it freezes on the floor as it rains. Black ice occurs frequently on shady roads at dawn or in the morning with low temperatures in the winter, and is often seen in a way similar to or slightly wetted by road colors, causing many drivers to make mistakes. Recently, the National Police Agency has investigated 706 traffic accidents in the past five years, out of 7,236 deaths. Among the 892 deaths, 706 people died from black ice (NewSis, Dec. 11, 2014).

도로 노면 결빙 상태를 탐지하기 위한 종래 도로 표면 온도 분석 기술은, 노면상태예측 모델에 의한 간접적인 예측 방법으로 도로에 결빙된 얼음을 탐지하기 보다는 빙점으로의 접근 및 온도 변화 등을 감지하여 예측하는 방법이기 때문에 정확하지 않다. 특히 종래의 적외선/레이저 산란 반사 분석 기술은 적외선/레이저의 산란, 반사 특성 분석을 통해 도로 결빙을 감지하는 것으로, 보통 제품 1대에 수 천 만원 내외의 비교적 고가 수입 제품이며 이 방식은 비교적 짧은 거리에 한정적으로 적용가능 하다는 것이 단점이다. 또한 영상 분석 기술은 날씨 및 밝기 등 외부 환경에 의한 제약이 크게 작용하는 것으로, 구름, 안개가 많은 주간이나 어두운 야간에는 시야 확보가 어렵게 되므로 노면 상태 탐지에 취약한 문제가 있다.  The conventional road surface temperature analysis technique for detecting the road surface freezing state is an indirect prediction method based on the road surface state prediction model, in which the approach to the freezing point and the temperature change are detected and predicted It is not accurate. In particular, the conventional infrared / laser scattering reflection analysis technology detects frost on the road through analysis of scattering and reflection characteristics of infrared rays / laser. It is a comparatively high priced import product of about tens of thousands of won for one ordinary product, It is a disadvantage that it can be applied to a limited range. In addition, the image analysis technique is vulnerable to the detection of road surface condition because it is difficult to secure visibility in the cloudy, cloudy day or dark night.

1. 한국 특허공개 제 10-2014-0169747호 (2014.12.01)1. Korean Patent Publication No. 10-2014-0169747 (December 1, 2014) 2. 한국 특허공개 제 10-2014-0009744호 (2014.01.27)2. Korean Patent Publication No. 10-2014-0009744 (Apr. 21, 2014)

GPS 반사 신호 강도 및 위상 등을 측정, 분석하여, 도로노면 상태를 건조(Dry), 젖어있는 (Wet), 결빙(Ice), 적설(snow) 상태 등으로 구분하여 도로 노면의 정확한 결빙 상태를 알리는 장치 및 방법을 제공한다.GPS signal intensity and phase are measured and analyzed and the road surface condition is classified into dry, wet, iced, snow, etc., Apparatus and method.

실시예에 따른 도로노면 결빙 탐지용 GPS 반사 신호 측정 장치는 GPS(Global Positioning System) 신호의 위상정보, GPS 위성 배치 정보, 노면 위치 정보를 포함하는 도로 노면 결빙 탐지 정보를 저장하는 데이터 로거(data logger); GPS 신호, GPS 신호의 위상정보 및 고유번호를 포함하는 위성관측정보와 대상 관측지점인 도로 노면에서 관측된 GPS 신호의 반사 신호인 RHCP(Right Hand Circular Polarization), LHCP(Left Hand Circular Polarization)를 포함하는 GPS 반사신호를 수신하는 수신모듈; 및 수신모듈에서 수집된 GPS 반사 신호의 신호 강도, GPS 신호의 위상 정보, 및 위성 배치 정보를 기반으로 도로노면의 결빙 상태를 판단하는 판단모듈; 을 포함한다.The apparatus for measuring a GPS signal for road surface freezing according to an embodiment includes a data logger (not shown) for storing road surface freezing detection information including phase information of GPS (Global Positioning System) signals, GPS satellite positioning information, ); GPS signal, topological information of GPS signal and unique number, right hand circular polarization (RHCP) and left hand circular polarization (LHCP), which are reflection signals of GPS signals observed on road surface, A reception module for receiving a GPS reflection signal; And a determination module for determining a freezing state of the road surface based on the signal intensity of the GPS reflection signal collected by the reception module, the phase information of the GPS signal, and the satellite positioning information. .

다른 실시예에 따른 도로노면 결빙 탐지 방법은 (A) 도로노면의 결빙 위험 지역을 선정하는 단계; (B) 선정된 결빙 위험 지역에 GPS 반사파 수신 장치가 설치 후 결빙 위험 지역의 온도 및 습도 변화를 모니터링 하는 단계; (C) 수신모듈에서 GPS 반사파를 수신하는 상향 RHCP(Right Hand Circular Polarization), 하향 LHCP(Left Hand Circular Polarization), 하향 RHCP 안테나를 통해 위성 신호를 로깅(logging) 하는 단계; (D) 수신모듈에서 GPS 위성 신호 별로 각 신호가 반사되는 지표면 범위를 시각화 하는 단계; (E) 수신모듈에서 GPS 위성 신호 별 시간 경과에 따라 GPS 신호 강도, GPS 반사 신호 강도, GPS 신호의 위상, 위성 배치 정보를 수집하는 단계; (F) 수신모듈에서 상향 안테나 및 하향 안테나에 기록된 지표면 매질에 따른 신호 강도 변화를 파악하는 단계; 및 (G) 수신모듈에서 GPS 신호 강도 변화 및 결빙 위험 지역의 온도와 습도 변화 정보를 기초로 도로 노면 결빙 상태를 판단하는 단계; 를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a road surface freezing detection method comprising the steps of: (A) selecting a freezing area of a road surface; (B) monitoring the temperature and humidity change of the freezing danger zone after installation of the GPS reflection receiver in the selected freezing hazard area; (C) logging a satellite signal through a right hand circular polarization (LHCP), a left hand circular polarization (LHCP), and a downward RHCP antenna, which receive GPS reflected waves from the receiving module; (D) visualizing a surface area range where each signal is reflected in each GPS satellite signal in the receiving module; (E) collecting GPS signal strength, GPS reflection signal strength, GPS signal phase, and satellite positioning information according to time lapse of each GPS satellite signal in the receiving module; (F) determining a change in signal intensity according to the surface medium recorded in the uplink antenna and the downlink antenna in the reception module; And (G) determining a road surface freezing state on the basis of the GPS signal intensity change in the receiving module and the temperature and humidity change information of the freezing dangerous area; .

본 개시를 통해 겨울철 교통사고의 주 원인인 블랙아이스를 미리 탐지하여 예측함으로써, 교통사고로 인한 인명 손실 및 재산 손실을 예방할 수 있다. Through this disclosure, it is possible to prevent loss of lives and property loss caused by traffic accidents by predicting and predicting black ice, which is the main cause of traffic accidents in winter,

GPS 반사파에 의한 신호 강도 및 위상 등을 측정하고 분석하여 지표면의 여러 가지 물리적 특성들에 기인하는 다양한 지표 매질 정보를 보다 정밀하게 파악할 수 있고, 야간 혹은 구름이나 안개가 낀 날씨에서도 도로 노면 상태를 탐지 할 수 있다. It is possible to more precisely grasp various indicator medium information due to various physical characteristics of the ground surface by measuring and analyzing the signal intensity and phase by the GPS reflection wave and detecting the road surface state even at night or in the cloudy or foggy weather can do.

또한 GPS 반사파 측정으로 도로 노면의 결빙 상태를 파악하는 방식은 수동적(passive) 방식으로 유지보수 비용이 적게 들고 비교적 넓은 범위와 거리에서 노면의 결빙 측정이 가능하다.In addition, the method of grasping the freezing condition of the road surface by the GPS reflection measurement is a passive method and it is possible to measure the freezing of the road in a relatively wide range and distance with a low maintenance cost.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above effects and include all effects that can be deduced from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.

도 1은 실시예에 따른 도로노면 결빙탐지 시스템의 구성을 나타낸 도면
도 2a는 실시예에 따른 GPS 신호 수신장치의 상세 구성을 나타낸 블록도
도 2b는 실시예에 따른 GPS 신호 수신장치의 위치 조정장치
도 3a는 실시예에 따른 GPS 반사파를 이용한 도로노면 탐지 방법을 나타낸 흐름도
도 3b는 시간 흐름에 따른 GPS 위성 별 신호의 첫 번째 지표 반사면 위치 추적 정보를 시각화한 실시 예
도 4a 내지 도 4b는 노면 상태에 따라 GPS 반사 신호 강도가 다른 것을 증명하기 위한 GPS 반사파 수신 실험 예를 나타내는 도면
도 4c는 GPS 반사파 수신모듈에 기록되는 측정 자료의 예를 나타낸 도면
1 is a diagram showing a configuration of a road surface freezing detection system according to an embodiment
2A is a block diagram showing a detailed configuration of a GPS signal receiving apparatus according to an embodiment
FIG. 2B is a block diagram of a position adjusting device of a GPS signal receiving apparatus according to an embodiment.
FIG. 3A is a flowchart showing a road surface detection method using GPS reflected waves according to an embodiment
FIG. 3B is a view showing an embodiment of visualizing the first index reflection surface position tracking information of a signal for each GPS satellite according to time
Figs. 4A and 4B are diagrams showing an experiment example of reception of GPS reflected waves for proving that the intensity of the GPS reflected signal is different according to the road surface state
4C is a diagram showing an example of measurement data recorded in the GPS reflected wave receiving module

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like numbers refer to like elements throughout.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The following terms are defined in consideration of the functions in the embodiments of the present invention, which may vary depending on the intention of the user, the intention or the custom of the operator. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

도 1은 실시예에 따른 도로노면 결빙탐지 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing a configuration of a road surface freezing detection system according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 도로노면 결빙 탐지 시스템은 GPS 신호 수신장치(100) 및 분석서버(200)를 포함하여 구성될 수 있고, GPS 신호 수신장치(100)는 수신모듈(110) 및 판단모듈(130)을 포함하여 구성될 수 있다. GPS 신호 수신 장치(100)는 도로 노면 결빙 위험지역에 설치되어 GPS 신호, GPS 반사파 신호 강도, GPS 신호의 위상 정보, 결빙 위험지역의 위치 정보를 수집한다. 실시예에 있어서, GPS 반사파는 대상 관측지점에서의 GPS 반사 신호인 RHCP(Right Hand Circular Polarization) 및 LHCP(Left Hand Circular Polarization)마이크로파를 포함한다. 실시예에 있어서, GPS 수신장치는 상향 RHCP 안테나와 상향 및 하향 RHCP/LHCP 듀얼 안테나로 GPS 신호를 수집할 수 있는데, 상향 RHCP 안테나로는 GPS 직접 신호를 수집할 수 있고, 하향 RHCP 및 LHCP 듀얼 안테나로는 GPS 반사 신호를 수집할 수 있다. 하향 RHCP 및 LCHP 듀얼 안테나에 의해 수집되는 RHCP 및 LHCP는 GPS 신호의 반사신호로서, 안테나로부터 복사된 전자파의 진행 방향에 대해 직각인 단면 내에서 주기적으로 회전하는 편파신호이다. 크기가 같고 위상이 90도 다른 수평 편파와 수직 편파를 조합시키면 그 합성 벡터가 원을 그리기 때문에 원 편파가 생기는데, 시계 방향으로 회전하면 우선회 편파(Right Hand Circular Polarization), 시계 반대 방향으로 회전하면 좌선회 편파 (Left Hand Circular Polarization)라고 한다. 실시예에서 RHCP 및 LHCP는 시간과 거리 같이 편파 면이 수평, 수직, 수평으로 나선형의 모습으로 변화하면서 전해지는 우선회 편파 및 좌선회 편파를 포함하는 각종 편파 신호가 될 수 있다. 구체적으로 RHCP 및 LHCP는, 광파의 전기 변위 벡터(또는 자기장 변위 벡터)의 진동 방향이 원 진동인 원 편광신호(circular polarization), 안테나로부터 복사된 전자파의 진행 방향에 대해 직각인 단면 내에서 주기적으로 회전하는 원 편파 신호, 직선 편광의 편향 면이 빛의 진행 방향을 축으로 하여 일정한 각속도로 회전하는 원 분극 신호 등 GPS 신호의 각종 반사신호를 포함할 수 있다. 1, the road surface freezing detection system may include a GPS signal receiving apparatus 100 and an analysis server 200. The GPS signal receiving apparatus 100 may include a receiving module 110 and a determination module 130). The GPS signal receiving apparatus 100 is installed in a dangerous area on road surface freezing to collect GPS signals, GPS reflected signal intensity, phase information of GPS signals, and location information of freezing dangerous areas. In an embodiment, the GPS reflected wave includes Right Hand Circular Polarization (RHCP) and Left Hand Circular Polarization (LHCP) microwaves, which are GPS reflected signals at the object observation point. In an embodiment, the GPS receiver may collect GPS signals with an upward RHCP antenna and an upward and downward RHCP / LHCP dual antenna. An upward RHCP antenna may collect GPS direct signals, a downward RHCP and LHCP dual antenna GPS signals can be collected. The RHCP and LHCP collected by the downward RHCP and LCHP dual antennas are reflected signals of the GPS signals and are polarized signals that periodically rotate within a cross section orthogonal to the traveling direction of the electromagnetic waves radiated from the antenna. If we combine horizontal and vertical polarizations with the same size and phase difference of 90 degrees, the resultant circular vector will form a circle, so that when it rotates clockwise, it will be Right Hand Circular Polarization, Left Hand Circular Polarization. In the embodiment, RHCP and LHCP can be various polarized signals including the right and left handed circularly polarized waves that are transmitted while the polarization plane changes horizontally, vertically, and horizontally in a spiral shape like time and distance. Specifically, the RHCP and the LHCP are designed so that the oscillation direction of the electric displacement vector (or the magnetic field displacement vector) of the light wave is circularly polarized in the cross section perpendicular to the traveling direction of the electromagnetic wave radiated from the antenna, A rotating circular polarized signal, and a circular polarized signal in which the deflecting surface of the linear polarized light rotates at a constant angular velocity about the traveling direction of the light.

GPS 신호를 중심으로 실시예를 설명 하지만, 도로 결빙 탐지를 위한 분석 신호를 GPS 신호 및 GPS 반사 신호로 한정하는 것은 아니다. 도로 노면 결빙을 위해 분석될 수 있는 신호는 GNSS(Global Navigation Satellite System, 위성측위시스템) 신호 중 GPS, GLONASS, Galileo, Beidou 등 여러 위성신호 및 위성의 반사 신호(GNSS Reflectometry)가 포함 될 수 있다. Although an embodiment is described centering on GPS signals, the analytical signals for road icing detection are not limited to GPS signals and GPS reflected signals. The signal that can be analyzed for road surface freezing may include various satellite signals such as GPS, GLONASS, Galileo, Beidou and GNSS Reflectometry among GNSS (Global Positioning System) signals.

분석서버(200)는 수신장치(100)에서 수집된 GPS 반사신호와 위성 위상정보에 기초하여 노면 결빙 위험지역의 도로노면상태를 탐지한다. 도로노면 결빙탐지 시스템은, GPS 반사신호를 분석하는 분석서버(200)를 포함하는 경우 분석 서버(200)에서 도로노면 상태를 파악하거나 분석서버(200)를 포함하지 않는 경우에는 수신장치(100)의 판단모듈(130)에서 기 저장된 노면 상태 별 GPS 반사 신호 강도 데이터와 수집된 반사 신호 강도 데이터를 비교하여 노면 결빙 위험지역의 노면 상태를 판단할 수도 있다. The analysis server 200 detects the road surface state of the road surface freezing danger zone based on the GPS reflection signal and the satellite phase information collected by the reception apparatus 100. The road surface freezing detection system includes an analysis server 200 for analyzing a GPS reflection signal. When the analysis server 200 determines the road surface state or does not include the analysis server 200, The road surface freezing danger area may be determined by comparing the GPS signal intensity data stored in the judgment module 130 with the collected reflected signal intensity data.

도 2a 는 실시예에 따른 GPS 반사파 수신장치의 상세 구성을 나타낸 블록도이다. 2A is a block diagram showing a detailed configuration of a GPS reflected wave receiving apparatus according to an embodiment.

도 2a를 참조하면, GPS 반사파 수신장치는 수신모듈(110) 및 판단모듈(130)을 포함하여 구성될 수 있고, GPS 신호 수신장치의 수신모듈(110)은 상향 RHCP 안테나(110), 하향 LHCP 안테나(120), 하향 RHCP 안테나, 측정부(130), 제어부(140), 전처리부(150) 및 데이터 로거(170)를 포함하여 구성될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 '모듈' 이라는 용어는 용어가 사용된 문맥에 따라서, 소프트웨어, 하드웨어 또는 그 조합을 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 소프트웨어는 기계어, 펌웨어(firmware), 임베디드코드(embedded code), 및 애플리케이션 소프트웨어일 수 있다. 또 다른 예로, 하드웨어는 회로, 프로세서, 컴퓨터, 집적 회로, 집적 회로 코어, 센서, 멤스(MEMS; Micro-Electro-Mechanical System), 수동 디바이스, 또는 그 조합일 수 있다.2A, the GPS reflected wave receiving apparatus may include a receiving module 110 and a determining module 130. The receiving module 110 of the GPS signal receiving apparatus may include an uplink RHCP antenna 110, a downlink LHCP And may include an antenna 120, a downstream RHCP antenna, a measurement unit 130, a control unit 140, a preprocessing unit 150, and a data logger 170. The term " module ", as used herein, should be interpreted to include software, hardware, or a combination thereof, depending on the context in which the term is used. For example, the software may be machine language, firmware, embedded code, and application software. As another example, the hardware may be a circuit, a processor, a computer, an integrated circuit, an integrated circuit core, a sensor, a micro-electro-mechanical system (MEMS), a passive device, or a combination thereof.

데이터 로거(116)는 도로 노면 결빙 탐지 정보를 저장한다. 도로 노면 결빙 탐지 정보에는 GPS 신호의 위상정보, GPS 위성 배치 정보, 노면 위치 정보 등 노면 탐지에 필요한 일련의 데이터가 저장된다. 또한, 데이터 로거(170)는 GPS 반사파 수신 장치에서 노면 상태를 판단하는 경우, 수집된 GPS 반사파 데이터와 비교하는 노면 상태 별 GPS 신호 반사 강도를 포함하는 실험데이터를 다른 서버로부터 수집 할 수 있다. The data logger 116 stores road surface freeze detection information. The road surface freeze detection information stores a series of data required for road surface detection such as the phase information of the GPS signal, the GPS satellite positioning information, and the road surface position information. The data logger 170 may collect experimental data including the GPS signal reflection intensity of the road surface state, which is compared with collected GPS reflected wave data, from another server when the GPS receiver apparatus judges the road surface state.

실시예에 있어서, 상향 RHCP 안테나(111)는 GPS 신호를 수집하고, 하향 RHCP(Right Hand Circular Polarization)안테나는 GPS 반사신호 중 우측 편광 신호를 수집하고, 하향 LHCP(Left Hand Circular Polarization) 안테나(112)는 GPS 반사신호 중 좌측 편광 신호를 수집한다. In the embodiment, the upward RHCP antenna 111 collects GPS signals, the downward right hand circular polarization (RHCP) antenna collects the right polarized signals of the GPS reflected signals, and the downward LHCP (Left Hand Circular Polarization) Collects the left polarized signal of the GPS reflected signal.

측정부(113)는 결빙 위험 지역의 도로위치와 GPS신호의 위상에 따라 RHCP/ LHCP 안테나(110,120)를 통해 수집된 반사 신호 강도를 측정한다.The measuring unit 113 measures the intensity of the reflected signal collected through the RHCP / LHCP antennas 110 and 120 according to the road position of the freezing danger area and the phase of the GPS signal.

전처리부(114)는 측정된 신호 강도를 노면 위치에 따라 시각화하고 위성 고도 및 첫 번째 지표 반사면(FFZ, First Fresnel Zone) 위치 추적 정보를 시각화한다. 실시예에 있어서, 전처리부(150)는 위성 고도 및 지표 반사면 위치 추적 정보에 따른 안테나 별 반송파 신호 대 잡음 비율인 위성 신호 수신 강도(C/No, Carrier to Noise Power Density)를 포함하는 위성 신호 수신 강도를 시각화 할 수 있다. The preprocessor 114 visualizes the measured signal intensity according to the road surface position and visualizes the satellite altitude and the first Fresnel Zone (FFZ) location tracking information. In an embodiment, the preprocessing unit 150 may include a satellite signal (C / No), which includes a carrier signal to noise ratio (C / No) for each antenna according to satellite altitude and surface reflection plane location tracking information The receiving strength can be visualized.

제어부(115)는 수신모듈(110)과 판단모듈(130)의 연결 및 상향 RHCP 안테나(111) 및 하향 RHCP LHCP 안테나(112)의 기울기 및 방향을 제어한다.The control unit 115 controls the connection between the reception module 110 and the determination module 130 and the inclination and direction of the upward RHCP antenna 111 and the downward RHCP LHCP antenna 112. [

판단모듈(130)은 데이터로거(116)에 기 저장된 도로노면 상태 별 GPS 반사 강도 데이터를 수신모듈(110)에서 수집된 데이터와 비교하여 위치 별 도로의 노면 상태를 건조(Dry), 젖어있는 (Wet), 결빙(Ice), 적설(snow) 상태 등으로 판단한다. 실시예에 있어서, GPS 수신 장치(100)는 위치 조정장치, 온도, 습도 센서 및 열화상 카메라를 더 포함하여 구성될 수 있다. The determination module 130 compares the GPS reflection intensity data of each road surface state previously stored in the data logger 116 with the data collected by the reception module 110 to determine the road surface state of each road as dry, Wet, icing, snow, and so on. In the embodiment, the GPS receiving apparatus 100 may further include a position adjusting device, a temperature sensor, a humidity sensor, and a thermal imager.

도 2b는 GPS 수신장치(100)의 위치를 조정하는 위치 조정장치의 설계 실시예를 나타낸 도면이다. 2B is a diagram showing a design example of a position adjusting device for adjusting the position of the GPS receiving device 100. As shown in FIG.

도 2b의 (a)는 위치 조정장치의 평면도이고, (b)와 (c)는 위치 조정장치에 GPS 수신 장치의 안테나가 연결되는 부분을 확대한 도면이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 위치 조정장치는 고정 바(1), 고정 바(1)와 안테나를 연결하는 거치대(4), 고정케이블(3), 상향 RHCP 안테나(7)와 하향 LHCP 안테나(5)의 각도와 기울기를 조정하는 안테나 기울기 조정장치(6)을 포함하여 구성될 수 있다.FIG. 2B is a plan view of the position adjusting device, and FIGS. 2B and 2C are enlarged views of a portion of the position adjusting device to which the antenna of the GPS receiving device is connected. 2B, the position adjustment device includes a fixed bar 1, a cradle 4 for connecting the fixed bar 1 and the antenna, a fixed cable 3, an upward RHCP antenna 7 and a downward LHCP antenna And an antenna tilt adjusting device (6) for adjusting the angle and tilt of the antenna (5).

센서(도면미도시)는 결빙 위험지역 근방의 온도와 습도를 모니터링하고, 열화상 카메라는 도로 노면 주위를 촬영하여 결빙 위험지역 온도를 파악함으로써 도로 노면 결빙 상태 파악 및 판단된 결빙상태를 확인하기 위한 부가 자료로서 활용할 수 있도록 한다.The sensor (not shown) monitors the temperature and humidity in the vicinity of the freezing danger area, and the thermal imager captures the area around the road surface to determine the temperature of the freezing area, To be used as additional data.

이하에서는 본 발명에 도로노면 결빙 탐지 방법에 대해서 차례로 설명한다. 본 발명에 따른 도로노면 결빙 탐지 방법의 작용(기능)은 도로노면 결빙 탐지용 GPS 반사파 수신 장치 및 시스템상의 기능과 본질적으로 같은 것이므로 도 1 내지 도 2b와 중복되는 설명은 생략하도록 한다. Hereinafter, the road surface freezing detection method will be described in order of the present invention. Since the function (function) of the road surface freezing detection method according to the present invention is essentially the same as that of the GPS receiver for a road surface freeze detection and the system, a description overlapping with those of FIGS. 1 to 2B will be omitted.

도 3a는 실시예에 따른 GPS 반사파를 이용한 도로노면 탐지 방법을 나타낸 흐름도이다.     3A is a flowchart illustrating a road surface detection method using GPS reflected waves according to an embodiment.

S310 단계에서는 여러 고가 도로 중 노면이 결빙되기 쉬운 도로 노면 위험지역을 선정하고, S320 단계에서는 선정된 도로 노면 위험지역에 GPS 반사파 수신 모듈을 설치한다.In step S310, a road surface hazardous area, which is likely to freeze on the road surface, is selected. In step S320, a GPS reflective wave receiving module is installed in the selected road surface dangerous area.

S330 단계에서는 영상 촬영 카메라 또는 열화상 카메라로 GPS 반사파 측정 시간대에 도로 주변 온도 및 습도 변화를 모니터링 한다.In step S330, the video camera or the thermal camera monitors the temperature and the humidity change of the road around the GPS reflection wave measurement time zone.

S340 단계에서는 GPS 반사파 수신 모듈의 상향 RHCP 및 하향 LHCP/RHCP 안테나를 통해 위성 신호를 로깅 한다.In step S340, the satellite signal is logged through the upward RHCP and the downward LHCP / RHCP antennas of the GPS reception module.

S350 단계에서는 GPS 위성 신호 별로 각 신호가 반사되는 지표 범위를 시각화 한다. 시간 흐름에 따른 GPS 위성 별 신호의 첫 번째 지표 반사면 위치 추적 정보를 시각화한 도 3b에 도시된 바와 같이, 위성 번호와 위치에 따라 반사 신호의 강도와 지표 범위를 직관적으로 인식 할 수 있도록 점, 색 등의 그래픽으로 시각화 할 수 있다.In step S350, the range of the surface on which each signal is reflected is visualized for each GPS satellite signal. As shown in FIG. 3B in which the first index reflection surface position tracking information of the GPS satellite signal according to the time flow is visualized, the point and the intensity of the reflection signal are intuitively recognized according to the satellite number and the position, It is possible to visualize it with graphic such as color.

S360 단계에서는 GPS 위성 신호 별로 시간 경과에 따라 GPS 신호 강도, 위상, GPS 위성 배치 정보 등을 수집/저장한다.In step S360, GPS signal intensity, phase, GPS satellite positioning information, and the like are collected / stored for each GPS satellite signal over time.

S370 단계에서는 수신 모듈에서의 상 하향 안테나에 기록된 지표면 매질 별 신호 강도 변화를 파악한다.In step S370, the change in signal intensity of the surface medium recorded on the upper and lower antennas in the receiving module is determined.

S380 단계에서는 신호 강도 변화 및 기타 센서의 복합 정보를 기반으로 도로 노면 결빙 상태를 건조(Dry), 젖어있는 (Wet), 결빙(Ice), 적설(snow) 상태 등으로 규명한다. In step S380, the road surface freezing state is determined based on dryness, wetness, ice, snow, and the like based on the signal strength change and other information of the sensor.

본 개시에서는 GPS(마이크로파) 반사파에 의한 신호 강도 및 위상 등을 측정하고 분석하여 지표면의 여러 가지 물리적 특성들에 기인하는 다양한 지표 매질 정보를 보다 정밀하게 파악할 수 있도록 하고, 야간 혹은 구름이나 안개가 낀 날씨에도 도로 노면 상태를 탐지 할 수 있도록 한다. 또한 GPS 반사파 측정으로 도로 노면의 결빙 상태를 파악하는 방식은 수동적(passive) 방식으로 유지보수 비용이 적게 들고 비교적 넓은 범위와 거리에서 측정이 가능하다.In the present disclosure, it is possible to measure and analyze the signal intensity and phase by GPS (microwave) reflected waves, thereby making it possible to more accurately grasp various indicator medium information caused by various physical characteristics of the ground surface, It is also possible to detect the road surface condition in the weather. In addition, the method of grasping the freezing condition of the road surface by the GPS reflection measurement is a passive method, and the maintenance cost is low and it is possible to measure in a relatively wide range and distance.

도 4a 내지 도 4b는 노면 상태에 따라 GPS 반사 신호 강도가 다른 것을 증명하기 위한 GPS 반사파 수신 실험 예를 나타내는 도면이다.FIGS. 4A and 4B are graphs showing examples of reception of GPS reflected waves for proving different GPS signal strengths according to road surface conditions.

도 4a의 (a)는 얼음에서 GPS 반사파를 측정하고, (b)는 아스팔트에서 GPS 반사파를 측정하는 도면이고, 도 4b는 노면 GPS 반사파 수신 모듈의 상향 및 하향 안테나에 기록된 도로 노면 매질 별 신호 강도 변화를 나타낸 도면이다.FIG. 4A is a view for measuring GPS reflected waves from ice, FIG. 4B is a view for measuring GPS reflected waves from asphalt, FIG. 4B is a view for measuring the GPS reflected waves from asphalt, Fig.

도 4b를 통해, 도로 노면이 결빙상태인 경우, LHCP 안테나 및 RHCP 안테나 에서의 반사 비율이 아스팔트 상태에서의 반사 비율과 차이가 있는 것을 확인 할 수 있다. 실시예에서는 도로 노면 상태(예컨대, 건조(Dry), 젖어있는 (Wet), 결빙(Ice), 적설(snow) 상태 등)에 따른 반사 비율 및 반사 신호 강도 데이터를 기 저장하고, 수신모듈(110)에서 측정된 GPS 반사 신호 강도와 비교하여 비교 결과에 따라 노면의 결빙 상태를 판단 할 수 있다. 4B, when the road surface is frozen, it can be seen that the reflection ratio in the LHCP antenna and the RHCP antenna are different from the reflection ratio in the asphalt state. In the embodiment, the reflection ratio and the reflection signal intensity data according to the road surface state (for example, dry, wet, ice, snow, etc.) ) And the GPS signal strength of the reflected signal is measured in accordance with the comparison result, it is possible to determine the freezing state of the road surface.

도 4c는 GPS 반사파 수신모듈에 기록되는 측정 자료의 예를 나타낸 도면이다. 도 4c에 도시된 바와 같이, GPS 수신 모듈에서는 측정 경과 시간, 상향 RHCP 의 반송파 신호 대 잡음 비율(C/No), 하향 LHCP 및 RHCP 에서의 반송파 신호 대 잡음 비율, 측정 지의 위도(Lat), 경도(Lon) 및 위성의 배치정보(El, AZ) 등이 측정되어 데이터베이스화 될 수 있다.       4C is a diagram illustrating an example of measurement data recorded in the GPS reflected wave receiving module. As shown in FIG. 4C, in the GPS receiving module, the measured time elapsed, the carrier signal-to-noise ratio (C / No) of upward RHCP, the carrier signal-to-noise ratio at downlink LHCP and RHCP, (Lon) and satellite arrangement information (El, AZ) can be measured and converted into a database.

본 개시에서는 상향 RHCP(Right Hand Circular Polarization), 하향 LHCP (Left Hand Circular Polarization) 및 하향 RHCP 안테나를 통해, 도로 노면 별 GPS 반사 신호 강도 및 위상을 측정하여, 측정 결과에 따라 노면 상태를 건조(Dry), 젖어있는 (Wet), 결빙(Ice), 적설(snow) 상태 등으로 구분한 노면 결빙 상태를 도로 사용자들에 알려 겨울철 교통사고로 인한 인명 손실 및 재산 손실을 예방하도록 한다. In this disclosure, the intensity and phase of the GPS signal reflected by the road surface are measured through upward RHCP (Right Hand Circular Polarization), downward LHCP (Left Hand Circular Polarization) and downward RHCP antenna, It is recommended that road users freeze on the road surface, which is divided into wet, wet, snow, and snow conditions to prevent loss of life and loss of property due to winter traffic accidents.

본 개시에서는 GPS 반사 신호 측정을 이용한 도로노면 결빙 판단 실시예에 대해 구체적으로 설명하였지만, 본 개시에 대한 활용이 언급한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로 본 개시는 각종 위성신호 및 위성 반사신호를 분석을 통해 빙하 고도 측정, 적설량 측정(Snow depth), 눈 또는 토양에서의 수분함량 측정(Snow/Soil moisture), 해수면 높이 측정(Altimetry of the ocean or sea) 등을 수행할 수도 있다. In the present disclosure, the road surface freezing determination example using the GPS reflection signal measurement has been described in detail, but the use of the present disclosure is not limited to the embodiments mentioned. In particular, the present disclosure relates to a method and apparatus for measuring altitude, snow depth, snow / soil moisture, altimetry of the ocean, or sea).

개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.It is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. It is not limited to the embodiment.

110: 수신모듈
111: RHCP 안테나
112: LHCP 안테나
113: 측정부
114: 전처리부
115: 제어부
116: 데이터 로거
130: 판단모듈
110: receiving module
111: RHCP antenna
112: LHCP antenna
113:
114:
115:
116: Data logger
130: Judgment module

Claims (8)

도로노면 결빙 탐지용 GPS 반사 신호 측정 장치에 있어서,
GPS(Global Positioning System) 신호의 위상정보, GPS 위성 배치 정보, 노면 위치 정보를 포함하는 도로 노면 결빙 탐지 정보를 저장하는 데이터 로거(data logger);
GPS 신호, GPS 신호의 위상 및 고유번호를 포함하는 위성관측정보와 대상 관측지점인 도로 노면에서 관측된 GPS 신호의 반사 신호인 RHCP(Right Hand Circular Polarization), LHCP(Left Hand Circular Polarization)를 포함하는 GPS 반사신호를 수신하는 수신모듈; 및
상기 수신모듈에서 수집된 GPS 반사 신호의 신호 강도, GPS 신호의 위상 정보, 및 위성 배치 정보를 기반으로 도로노면의 결빙 상태를 판단하는 판단모듈; 을 포함하는 도로 노면 결빙 탐지용 GPS 신호 반사신호 측정 장치.
A GPS reflection signal measuring apparatus for road surface freeze detection,
A data logger for storing road surface freeze detection information including phase information of a Global Positioning System (GPS) signal, GPS satellite positioning information, and road surface position information;
(Right hand circular polarization) and left hand circular polarization (LHCP), which are reflection signals of GPS signals observed on a road surface, which is a target observation point, and satellite observation information including a GPS signal, A receiving module for receiving a GPS reflection signal; And
A determination module for determining a freezing state of a road surface based on the signal intensity of the GPS reflection signal collected by the reception module, the phase information of the GPS signal, and the satellite positioning information; And a GPS signal reflection signal measuring device for detecting road surface freezing.
제 1항에 있어서, 상기 수신모듈은
상향 RHCP 싱글 안테나 및 하향 RHCP LHCP 듀얼 안테나를 통해 RHCP 및 LHCP 편광신호를 포함하는 GPS 반사 신호 강도를 측정하는 측정부;
측정된 신호 강도를 노면 위치에 따라 시각화하고 위성 고도 및 GPS 신호의 첫 번째 지표 반사면 위치 추적 정보를 시각화하는 전처리부; 및
상기 수신모듈과 판단모듈의 연결을 제어하고, GPS 반사 신호 강도를 측정하는 상기 상향 RHCP 싱글 안테나 및 하향 RHCP LHCP 듀얼 안테나의 기울기 및 방향을 제어하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS 반사 신호 측정 장치.
2. The method of claim 1, wherein the receiving module
A measuring unit for measuring a GPS reflected signal strength including RHCP and LHCP polarized signals through an upward RHCP single antenna and a downward RHCP LHCP dual antenna;
A pre-processing unit for visualizing the measured signal intensity according to the road surface position and visualizing the first elevation reflection surface position tracking information of the satellite altitude and the GPS signal; And
A controller for controlling the connection between the receiving module and the determining module and controlling the inclination and direction of the upward RHCP single antenna and the downward RHCP LHCP dual antenna for measuring the GPS reflected signal strength; And a GPS receiver for measuring GPS signals.
제 2항에 있어서, 상기 전처리부는
위성 고도 및 지표 반사면 위치 추적 정보에 따른 안테나 별 반송파 신호 대 잡음 비율인 위성 신호 수신 강도(C/No, Carrier to Noise Power Density)를 그래프를 포함하는 그래픽이미지로 시각화 하는 것을 특징으로 하는 GPS 반사 신호 측정 장치.
3. The apparatus of claim 2, wherein the pre-
(C / No, Carrier to Noise Power Density), which is a carrier signal-to-noise ratio for each antenna according to satellite altitude and surface reflectance position tracking information, is visualized as a graphical image including a graph. Signal measuring device.
제 1항에 있어서, 상기 GPS 신호 수신 장치는
수신모듈의 GPS 반사파 측정 위치를 조정하고 노면에 설치되는 수신 장치를 고정하는 위치 조정 장치; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS 반사 신호 측정 장치.
The GPS receiver according to claim 1, wherein the GPS signal receiving device
A position adjustment device for adjusting a GPS reflection wave measurement position of the reception module and fixing a reception device installed on the road surface; Further comprising a GPS receiver for receiving GPS signals from the GPS receiver.
제 1항에 있어서, 상기 도로 노면 결빙 탐지용 GPS 반사파 수신 장치는
상기 도로 노면의 온도 및 습도를 측정하는 센서; 및
도로 노면 주위를 촬영하는 열화상 카메라; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GPS 반사 신호 수신 측정 장치.
The GPS receiver according to claim 1, wherein the GPS receiver for road surface freeze detection comprises:
A sensor for measuring temperature and humidity of the road surface; And
An infrared camera for photographing the road surface around the road; Further comprising a GPS receiver for receiving the GPS signal.
도로노면 결빙 탐지 방법에 있어서,
(A) 도로노면의 결빙 위험 지역을 선정하는 단계;
(B) 선정된 결빙 위험 지역에 GPS 반사파 수신 장치가 설치 후 상기 결빙 위험 지역의 온도 및 습도 변화를 모니터링 하는 단계;
(C) 수신모듈에서 GPS 반사파를 수신하는 상향 RHCP(Right Hand Circular Polarization) 및 하향 LHCP(Left Hand Circular Polarization)/RHCP 안테나를 통해 위성 신호를 로깅(logging) 하는 단계;
(D) 수신모듈에서 GPS 위성 신호 별로 각 신호가 반사되는 지표면 범위를 시각화 하는 단계;
(E) 수신모듈에서 GPS 위성 신호 별 시간 경과에 따라 GPS 신호 강도, GPS 반사 신호 강도, GPS 신호의 위상, 위성 배치 정보를 수집하는 단계;
(F) 수신모듈에서 상향 안테나 및 하향 안테나에 기록된 지표면 매질에 따른 신호 강도 변화를 파악하는 단계; 및
(G) 수신모듈에서 GPS 신호 강도 변화 및 결빙 위험 지역의 온도와 습도 변화 정보를 기초로 도로 노면 결빙 상태를 판단하는 단계; 를 포함하는 도로노면 결빙 탐지 방법.
A road surface freezing detection method,
(A) selecting a freezing area of a road surface;
(B) monitoring the temperature and humidity change of the freezing danger zone after installing the GPS reflection receiver in the selected freezing danger zone;
(C) logging a satellite signal through an uplink Right Hand Circular Polarization (RHCP) and a downlink LHCP (Left Hand Circular Polarization) / RHCP antenna receiving a GPS reflected wave from the receiving module;
(D) visualizing a surface area range where each signal is reflected in each GPS satellite signal in the receiving module;
(E) collecting GPS signal strength, GPS reflection signal strength, GPS signal phase, and satellite positioning information according to time lapse of each GPS satellite signal in the receiving module;
(F) determining a change in signal intensity according to the surface medium recorded in the uplink antenna and the downlink antenna in the reception module; And
(G) determining a road surface freezing state on the basis of GPS signal intensity change and temperature and humidity change information of a freezing hazard area in a receiving module; And a road surface freezing detection method.
제 6항에 있어서, 상기 GPS 반사파는
GPS 신호가 관측지점에서 반사된 편광신호, 우선회 편파(RHCP, Right Hand Circular Polarization) 및 좌선회 편파 (LHCP, Left Hand Circular Polarization)를 포함하는 것을 특징으로 하는 도로노면 결빙 탐지 방법.
7. The method of claim 6, wherein the GPS reflected wave
Wherein the GPS signal includes a polarized signal reflected at an observation point, a Right Hand Circular Polarization (RHCP), and a Left Hand Circular Polarization (LHCP).
제 6항에 있어서, (G) 수신모듈에서 GPS 신호 강도 변화 및 결빙 위험 지역의 온도와 습도 변화 정보를 기초로 도로 노면 결빙 상태를 판단하는 단계; 는
기 저장된 노면 상태 별 GPS 반사 신호 강도와 수신모듈에 수집된 GPS 반사 신호 강도를 비교하여 비교 결과에 따라, 노면 상태를 건조(Dry), 젖어있는 (Wet), 결빙(Ice), 적설(snow) 상태 중 어느 하나로 판단하는 것을 특징으로 하는 도로노면 결빙 탐지 방법.
The method of claim 6, further comprising: (G) determining a road surface freezing state based on GPS signal intensity change and temperature and humidity change information in a freezing hazard area in the receiving module; The
We compared the intensity of the GPS signal reflected by the stored road surface condition with the intensity of the GPS signal reflected by the receiving module, and compared the results of the comparison with those of the dry, wet, wet, snow, State of the road surface freezing.
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KR20220020449A (en) * 2020-08-11 2022-02-21 주식회사 스카이솔루션 Safety diagnosis device for road facilities using drones

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