KR20190114301A - 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법 - Google Patents

Abstract

위치선 기반으로 측위를 할 때 두 등고권이 교차하는 2개의 위치 중에서 방위를 이용하여 진위(True Position)와 허위(False Position)를 정확하게 구분할 수 있도록 한 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법에 관한 것으로서, 위치선(LOP) 방식을 이용하여 태양을 격시관측하여 두 등고권이 교차하는 2개의 위치(LOP1, LOP2)를 획득하는 단계, 격시관측 시 진북 대비 천체의 방위(Z1, Z2)를 측정하는 단계 및 측정한 방위를 연산하고, 그 값들이 모두 동일 부호이면 위도 성분에 따라 진위를 결정하는 단계를 포함하여, 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하게 된다.

Description

위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법{True position determine method using bearing based line of position}

본 발명은 위치선(LOP; Line of Position) 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법에 관한 것으로, 특히 위치선 기반으로 측위를 할 때 두 등고권이 교차하는 2개의 위치 중에서 방위를 이용하여 진위(True Position)와 허위(False Position)를 정확하게 구분할 수 있도록 한 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법에 관한 것이다.

천문항해는 오늘날의 항법기술이 발달하기 이전, 항해를 위한 생존의 수단으로 이용되었다. 육분의(Sextant)를 이용하여 천체의 고도를 측정하고, 이를 복잡한 수식에 의해 원활히 계산하여 자신의 위치를 파악할 수 있는 기술은 항해사의 가장 뛰어난 능력으로 판단되었다.

오늘날 항법 기술의 발달과 GPS(Global Positioning System) 등 선박 운항을 위한 위치의 추출은 별다른 어려움 없이 가능한 것으로 인식되고 있으나, 해상에서 비상 환경을 대비하기 위한 보조 수단으로써 천측을 이용한 측위 기술은 여전히 중요하다. 특히, 군사적 목적에서 GPS가 전파교란에 취약하므로 미국 해군사관학교에서는 폐강되었던 고전적인 천문항법의 강의가 다시 개설되었다. 또한, IMO(International Maritime Organization)를 비롯한 해사 관련 기관에서도 GPS에 대한 비상용 백업 장치의 필요성을 권고하고 있다.

천측력을 이용하여 선박의 위치를 구하는 천문 측위 작업은 과거 선박의 생존을 위해 필수적인 요소였다. 현대에서 선박의 운항을 위해서도 GPS의 활용은 필수적이며, 육상을 벗어난 선박의 위치를 파악하는 것은 선박의 안전을 위한 측면과 경제적 측면 두 가지 모두 중요한 업무이다.

천측의 개략적인 기술 요소는 지위(Geographical Position: GP)를 기준으로 관측자의 동일한 고도를 가지는 원을 2회 작도하여 그 2개의 원이 교차하는 위치(진위(True Position), 허위(False Position)) 중 한 곳을 선택하는 원리이다. 이 원리를 LOP(Line Of Position) 방식이라고 하는데, 이 원은 지구 표면에 표시되는 가상의 원이므로 이렇게 큰 가상의 원을 원하는 지역에서 위치를 추출하기 위해 표시한다는 것은 불가능하다. 따라서 1875년 Captain Marq de Saint Hilaire에 의하여 St. Hilaire 방식이 발표되었다. 그러나 St. Hilaire 방식은 해도 위에 작도할 수 있는 대신 DR(Dead Reckoning)을 통한 가정위치(AP: Assumed Position)를 추측하여 천측을 시행하였다. 여기서 DR은 위치를 알고 있는 출발점에서 현재 위치까지의 여행 거리 및 방향을 계산하여 현재의 위치를 추적하는 위치추적 기술의 예이다.

오늘날 전자산업의 발달에 따라 과거 한정된 차트 내에 가상의 큰 원을 표시하기가 불가능하였던 LOP의 표현을 편리하게 구현할 수 있게 되었다. 또한, 작도의 한계로 인해 도입되었던 St. Hilaire 방식이 피할 수 없는 오차를 다량 포함하였던 것에 비해, 오늘날의 자동화된 LOP 방식은 원 개념에 대해 전자계산의 빠른 능력을 이용하여 더욱 정확한 위치의 산출이 가능하다.

그러나 상기에서도 거론한 것처럼 LOP 방식에서는 진위와 허위가 항상 함께 나타나는 불편함이 있다. 이 두 위치는 LOP 2개가 교차하는 과정에서 필연적으로 나타날 수밖에 없는데, 이 두 위치 중 1개를 허위로 지정하여 배제하지 않으면, 진위를 구하는 것이 용이하지 못하다.

진위와 허위는 GP들이 이루는 선분 대비 각각 상하 직각에 배치되게 되므로 진위와 허위가 관측자의 위치에서 명확히 구분 가능하다는 것에 주목할 필요가 있다.

일반적인 진위 결정 방법은 다음과 같다.

2개의 천체에 대하여 LOP를 표현하면 도 1에 도시한 바와 같이, 그 교차점이 관측자의 위치가 된다. 두개의 등고권이 겹치는 두 점이 교차점이다.

두 천체의 지위 GP₁과 GP₂가 이루는 거리 D12를 구하면, 하기의 [수학식 1] 과 같다.

여기서 dec₁은 GP₁의 적위((Declination: dec)이며, dec₂는 GP₂의 적위이다. 지위는 적위와 본초시각(Greenwich Hour Angle: GHA)으로 구성되며, 천구상의 좌표로 개념적으로는 위도와 경도에 대응한다.

도 2는 LOP₁과 LOP₂의 상세도이다.

천체의 첫 번째 지위 GP₁과 Pole이 이루는 선분과 선분 D₁₂가 이루는 각 A를 구하면 [수학식 2] 와 같다.

선박의 관측자와 지위 GP₁이 이루는 선분과 선분 D₁₂가 이루는 각 B를 구하면[수학식 3] 과 같이 표현된다.

이를 통해 첫 번째 관측자의 위치 Lat₁을 구하면 하기의 [수학식 4] 와 같이 표현된다. 여기서 Lat₁은 Ship₁의 위도를 나타낸다.

상기 [수학식 4] 를 이용하여 경도 성분을 구하기 위해 관측자와 지윈 GP₁과의 경도차 LHA₁을 구하면 [수학식 5] 와 같이 표현된다.

여기서 LHA(Local Hour Angle)는 지방시각을 나타내며 서쪽으로 0°에서 360°까지의 범위를 가진다.

이를 기반으로 경도 Lon을 산출하면 하기의 [수학식 6] 으로 표현된다.

여기서 Lon₁은 Ship₁의 경도를 나타낸다.

따라서 상기 6개의 식을 통해 두 등고권에 따른 위도상의 상측 위치 Ship₁(Lat₁, Lon₁)을 산출된다. 그러나 앞서 기술한 것과 같이 두 등고권이 겹칠 경우 반드시 2개의 위치가 나타나므로 상대적으로 위도상 아래의 위치 Ship₂(Lat₂, Lon₂)를 구하기 위해서는 상기 [수학식 4] 에서 마지막 cosine항의 인자 (A-B)를 (A+B)로 처리하여 나머지 수식을 동일하게 처리하여야 한다.

그러므로 [수학식 4] 를 아래와 같이 변경하여 구하면, [수학식 7] 과같이 표현된다.

한편, 항해를 위해 위치를 결정하기 위해 종래에 제안된 기술이 하기의 <특허문헌 1> 에 개시되어 있다.

<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 천체에 대한 천문정보가 적경 및 적위에 대응하여 저장된 메모리, 지자기의 방향을 검출하고 지향방향의 방위각을 측정하는 지자기 센서와 중력의 방향을 검출하고 지향방향의 고도각을 측정하는 기울기 센서를 포함하는 방향 센서 모듈, GPS위성으로부터 신호를 수신하여 방향센서 모듈의 위치 및 현재시간을 추출하는 GPS 모듈 및 지자기 센서 및 기울기 센서로부터 방위각 및 고도각에 대한 정보를 수신하고, GPS 모듈로부터 위치 및 시간에 대한 정보를 수신하여 방향 센서 모듈이 지향하는 천구상 지점의 적경 및 적위를 연산하고 연산된 적경 및 적위를 키로 사용하여 메모리에서 천문정보를 검색하여 디스플레이하는 마이크로 컨트롤러를 포함한다. 이러한 구성을 통해 방향 센서와 GPS를 이용하여 사용자가 단순히 천체를 지향함으로써 해당 천체에 대한 천문정보를 획득할 수 있다.

대한민국 공개특허 10-2008-0053806(2008.06.16. 공개)(방향 센서와 GPS를 이용한 천문정보 획득시스템)

그러나 상기와 같은 일반적인 천체를 관측하고, 지위(GP)를 기준으로 관측자의 동일한 고도를 가지는 원을 2회 작도하여 그 2개의 원이 교차하는 위치(진위(True Position), 허위(False Position)) 중 한 곳을 선택하여 위치를 결정하는 방식은, 복잡한 알고리즘을 이용해야 하는 불편함이 있다.

즉, 두 개의 등고권에 따른 위도상의 상측 위치(Ship₁)와 하측 위치(ship₂)를 각각 복잡한 알고리즘을 통해 산출해야하는 불편함이 있다.

또한, <특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 복수의 방향 센서와 GPS 센서를 이용하여 천체에 대한 천문정보를 용이하게 획득할 수 있는 장점은 있으나, 복수의 센서와 IT 기술을 이용하는 방식으로서, 해당 IT 기기를 사용할 수 없는 경우에는 천문정보를 획득할 수 없는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 위치선 기반으로 측위를 할 때 두 등고권이 교차하는 2개의 위치 중에서 방위를 이용하여 진위(True Position)와 허위(False Position)를 정확하게 구분할 수 있도록 한 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 복수의 방향 센서나 GPS 센서 및 복잡한 알고리즘을 이용하지 않으면서도, 정확하면서 용이하게 방위를 이용하여 진위를 결정할 수 있도록 한 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법은 (a) 위치선(LOP) 방식을 이용하여 태양을 격시관측하여 두 등고권이 교차하는 2개의 위치(GP1, GP2)를 획득하는 단계; (b) 상기 격시관측 시 진북 대비 천체의 방위(Z1, Z2)를 측정하는 단계; (c) 상기 측정한 방위를 연산하고, 그 값들이 모두 동일 부호이면 위도 성분에 따라 진위를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (a)단계는 시간 격차를 두고 태양을 2회 이상 격시관측하여 2개의 위치를 획득하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (c)단계는 격시관측 시 측정한 2개의 방위에 대하여 각각 코사인 연산한 후, 그 결과 값이 -부호이면 위도 성분이 높은 위치를 진위로 결정하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 (c)단계는 (c1) 격시관측시 측정한 2개의 방위에 대하여 각각 코사인 연산한 후, 그 결과 값의 부호가 동일한지를 확인하여, 결과 값이 동일하지 않으면 관측 오류로 판정하는 단계; (c2) 상기 (c1)단계의 결과 값이 동일하면, 2개의 방위 값이 모두 (-)값인지를 확인하여, 2개의 방위 값이 모두 (-)값이면 위도상에서 상측 위치를 진위로 결정하는 단계; (c3) 상기 (c1)단계의 결과 값이 동일하면, 2개의 방위 값이 모두 (+)값인지를 확인하여, 2개의 방위 값이 모두 (+)값이면 위도상에서 하측 위치를 진위로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 위치선 기반으로 측위를 할 때 두 등고권이 교차하는 2개의 위치 중에서 방위를 이용하여 진위(True Position)와 허위(False Position)를 정확하면서도 용이하게 구분할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 복수의 방향 센서나 GPS 센서 및 복잡한 알고리즘을 이용하지 않으면서도, 정확하면서 용이하게 방위를 이용하여 진위를 결정할 수 있는 장점도 있다.

도 1은 일반적인 LOP 방법에 의한 진위와 허위 예시도,
도 2는 일반적인 LOP₁과 LOP₂의 상세도,
도 3은 본 발명에 따른 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법을 보인 흐름도,
도 4는 본 발명에서 격시관측의 LOP 설명 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법을 보인 흐름도로서, (a) 위치선(LOP) 방식을 이용하여 태양을 격시관측하여 두 등고권이 교차하는 2개의 위치(GP1, GP2)를 획득하는 단계(S11), (b) 상기 격시관측시 진북 대비 천체의 방위(Z₁, Z₂)를 측정하는 단계(S12), (c) 상기 측정한 방위를 연산하고, 그 값들이 모두 동일 부호이면 위도 성분에 따라 진위를 결정하는 단계(S13 ~ S18)를 포함한다.

상기 (c)단계는 격시관측 시 측정한 2개의 방위((Z₁, Z₂)에 대하여 각각 코사인 연산한 후, 그 결과 값이 -부호이면 정상적인 관측으로 판단하고, 위도 성분이 높은 위치를 진위로 결정하는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게, 상기 (c)단계는 (c1) 격시관측시 측정한 2개의 방위에 대하여 각각 코사인 연산한 후, 그 결과 값의 부호가 동일한지를 확인하여, 결과 값이 동일하지 않으면 관측 오류로 판정하는 단계(S13, S14), (c2) 상기 (c1)단계의 결과 값이 동일하면, 2개의 방위 값이 모두 (-)값인지를 확인하여, 2개의 방위 값이 모두 (-)값이면 위도상에서 상측 위치를 진위로 결정하는 단계(S15, S16), (c3) 상기 (c1)단계의 결과 값이 동일하면, 2개의 방위 값이 모두 (+)값인지를 확인하여, 2개의 방위 값이 모두 (+)값이면 위도상에서 하측 위치를 진위로 결정하는 단계(S17, S18)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 단계 S11에서 위치선(LOP) 방식을 이용하여 태양을 격시관측하여 두 등고권이 교차하는 2개의 위치(LOP₁(GP₁), LOP₂(GP²))를 획득한다. 낮에 관측할 수 있는 천체는 날씨 영향을 받지 않는다면 주로 태양을 이용한다. 따라서 LOP 방식으로 관측자의 위치를 구하기 위해서는 시간 격차를 두고 태양을 2회 이상 격시관측을 시행하여 2개의 위치를 획득한다. 태양의 격시관측 시 2개의 GP는 거의 적도에 수평하다.

도 4는 격시관측 시 LOP 방식을 도식화한 것이다.

다음으로, 단계 S12에서 상기 격시관측 시 진북 대비 천체의 방위(Z₁, Z₂)를 측정한다. 여기서 격시관측 시 등고권이 교차하는 2개의 위치와 진북 대비 천체의 방위를 측정하는 기술은 일반적인 격시관측 시 획득할 수 있는 천문정보이므로, 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

다음으로, 단계 S13 ~ S18에서 상기 측정한 방위를 연산하고, 그 값들이 모두 동일 부호이면 위도 성분이 높은 위치를 진위로 결정한다.

GP₁에 대한 GP₂의 변화가 위도 성분에서는 거의 발견 되지 않으므로 북측 위치에서 측정한 방위 Z₁과 Z₂는 그 값을 인자로 하는 cosine에 대하여 (-)값을 가진다. 반대로 Ship₂에서 측정한 Z₁', Z₂'는 (+)의 값을 가진다.

따라서 격시관측 시 관측자가 각각 측정한 Z₁, Z₂ 혹은 Z₁', Z₂'가 cosine의 인자로서 그 값이 (-)를 가지면 관측자가 북에서 남쪽의 천체를 바라보는 것임으로 Ship₁이 진위가 되며, 그 반대이면 남측의 관측 값을 진위로 정할 수 있다.

예컨대, 단계 S13에서는 격시관측 시 측정한 2개의 방위에 대하여 각각 코사인 연산한 후(cos(Z₁), cos(Z₂)), 그 결과 값의 부호가 동일한지를 확인하여, 결과 값이 동일하지 않으면 단계 S14로 이동하여 관측 오류로 판정한다.

이와는 달리, 상기 코사인 결과 값이 동일하면, 단계 S15로 이동하여 2개의 방위 값이 모두 (-)값인지를 확인하여, 2개의 방위 값이 모두 (-)값이면, 단계 S16으로 이동하여 위도상에서 상측 위치(Ship₁)를 진위로 결정하며, 이를 수식으로 표현하면 하기의 [수학식 8] 과 같다.

여기서 Lat는 위도, Lon은 경도, Lat₁는 Ship₁의 위도, Lon₁는 Ship₁의 경도이다.

또한, 상기 코사인 결과 값이 모두 (-)값이 아니면, 단계 S17로 이동하여 2개의 방위 값이 모두 (+)값인지를 확인하여, 2개의 방위 값이 모두 (+)값이면, 단계 S18로 이동하여 위도상에서 하측 위치(Ship₂)를 진위로 결정하며, 이를 수식으로 표현하면 하기의 [수학식 9]와 같다.

여기서 Lat₂는 Ship₂의 위도, Lon₂는 Ship₂의 경도이다.

LOP 방식을 이용하여 태양을 격시관측하였을 경우, 두 등고권이 교차하는 2개의 위치 중에서, 이를 각각 코사인 연산하여 그 값들이 모두 (-)이면 위도 성분이 높은 위치를 진위로 결정하는 방식으로 2개의 위치 중 진위와 허위를 결정함으로써, 기존과 같이 복잡한 알고리즘을 이용하지 않고 복수의 센서 없이도 위치를 정확하게 결정할 수 있게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

Claims (5)

1. 위치선(LOP) 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법으로서,
   (a) 위치선(LOP) 방식을 이용하여 태양을 격시관측하여 두 등고권이 교차하는 2개의 위치(LOP1, LOP2)를 획득하는 단계;
   (b) 상기 격시관측시 진북 대비 천체의 방위(Z1, Z2)를 측정하는 단계; 및
   (c) 상기 측정한 방위를 연산하고, 그 값들이 모두 동일 부호이면 위도 성분에 따라 진위를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법.
   
2. 청구항 1에서, 상기 (a)단계는 시간 격차를 두고 태양을 2회 이상 격시관측하여 2개의 위치를 획득하는 것을 특징으로 하는 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법.
   
3. 청구항 1에서, 상기 (c)단계는 격시관측 시 측정한 2개의 방위에 대하여 각각 코사인 연산한 후, 그 결과값이 -부호이면 위도 성분이 높은 위치를 진위로 결정하는 것을 특징으로 하는 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법.
   
4. 청구항 1에서, 상기 (c)단계는 (c1) 격시관측시 측정한 2개의 방위에 대하여 각각 코사인 연산한 후, 그 결과값의 부호가 동일한지를 확인하여, 결과값이 동일하지 않으면 관측 오류로 판정하는 단계; (c2) 상기 (c1)단계의 결과값이 동일하면, 2개의 방위 값이 모두 (-)값인지를 확인하여, 2개의 방위 값이 모두 (-)값이면 위도상에서 상측 위치를 진위로 결정하는 단계; (c3) 상기 (c1)단계의 결과값이 동일하면, 2개의 방위 값이 모두 (+)값인지를 확인하여, 2개의 방위 값이 모두 (+)값이면 위도상에서 하측 위치를 진위로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법.
   
5. 청구항 1에서, 상기 (c)단계는 하기와 같은 수식을 통해 격시관측시 측정한 2개의 방위에 대하여 진위를 결정하는 것을 특징으로 하는 위치선 기반의 방위를 이용하여 진위를 결정하는 방법.
   

   

   
   

   

   
   여기서 Lat : 위도, Lon : 경도, Lat₁ : Ship₁의 위도, Lon₁ : Ship₁의 경도, Lat₂ : Ship₂의 위도, Lon₂ : Ship₂의 경도를 나타낸다.
   

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