KR20200079133A - 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법을 공개한다. 이 방법은 (a) 무인수상선이 수직 방향의 제1 이미지 소나 및 수평 방향의 제2 이미지 소나를 장착하고, 수중을 이동하는 무인잠수정의 3차원 위치를 추적하여 수직 및 수평 조향 음향 이미지와 절대 위치 데이터를 전송하는 단계; 및 (b) 중앙 통제소가 상기 수직 및 수평 조향 음향 이미지와 상기 절대 위치 데이터를 인가받아 상기 무인잠수정의 상대 위치가 측정범위 내에 유지되도록 상기 무인수상선의 경유점을 제어하면서, 상기 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가를 모니터링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 소나 센서 장착으로 인한 무인수상선에 작용하는 저항을 최소화하면서, 실해역 수중에서 임의의 궤적으로 장시간 운용되는 무인잠수정의 수중 항법 성능을 평가할 수 있게 된다. 또한, 천해용뿐 아니라 심해용 무인잠수정에 대해서도 항법성능 평가에 모두 적용 가능하게 된다.

Description

무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법{Evaluation methods of underwater navigation performance of unmanned underwater vehicles}
본 발명은 수중 항법 성능 평가 방법에 관한 것으로서, 특히 무인수상선에 자세 센서와 초음파 이미지 소나를 장착하여 무인잠수정의 수중 3차원 위치를 측정하는데 있어서, 무인수상선에 작용하는 저항을 최소화하면서 천해 및 심해의 실해역 수중에서 장시간 운용되는 무인잠수정의 수중 항법 성능을 효율적으로 평가할 수 있는 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가에 관한 것이다.
수중을 운항하는 무인잠수정 또는 수중로봇은 임무수행과 안전성 향상을 위하여 정확한 위치와 방위 자세 정보를 얻는 항법 시스템이 중요하다.
무인잠수정의 항법 시스템은 자체에 탑재하는 관성센서(IMU, Inertial Measurement Unit), 카메라 또는 소나와 같이 주변을 관측하는 시각센서, 해저면과의 음향 도플러 신호를 이용하는 관성센서 기반 수중복합항법이 일반적이다.
전통적으로 수중이동체의 위치측정은 수중초음파를 이용하며, 거리 또는 방위각을 측정하는 장기선(LBL, Long Base Line), 단기선(SBL, Short Base Line), 초단기선(USBL, Ultra-Short Base Line) 초음파 위치추적장치로 구별된다.
한편, 항공기 항법에 이용되는 지형 대조 항법이 적용되기도 한다.
그런데, 관성센서 기반의 수중 항법 시스템은 시간이 경과함에 따라 드리프트하는 특성이 있고, 초음파 위치추적장치는 일정 시간간격(측정거리에 따라 1~20초 간격)으로 위치정보를 얻고 주변 음향환경에 따라 위치측정에 오차가 존재하는 단점이 있다.
이에 관성센서 기반의 수중 항법과 초음파 위치측정장치의 단점을 융합하여 항법 시스템의 정밀도를 향상 시키는 기술이 개발되고 있지만, 무인잠수정 항법 시스템의 성능을 평가하는 것은 또 다른 문제이다.
장기선 초음파 위치추적장치는 해저면에 기준이 되는 음향 트랜스폰더를 3개 이상 설치하고, 무인잠수정에도 트랜스폰더를 장착해야 한다.
초단기선 초음파 위치추적장치를 이용하는 경우도 무인잠수정 선체에 음향신호를 발신하는 트랜스폰더를 별도로 장착해야 한다.
수중을 이동하는 무인잠수정은 선체 외부에 돌출되는 센서가 추가되면 이로 인해 저항이 증가하고 유체정력학적 특성과 동 특성이 변화하므로, 외부에 추가 장치를 부착하는 것을 피해야 한다.
따라서 수중초음파를 이용하는 종래의 위치측정 방법은 무인잠수정의 항법 시스템 성능을 평가하는 방법으로 바람직하지 못하다.
무인잠수정에 추가 센서를 장착하지 않고도 무인잠수정의 위치를 파악하는 방법으로서, 수상 선박이나 해저 특정지점에서 멀티 빔 소나 또는 단일 빔 스캐닝 소나를 이용하여 수중을 지나가는 물체의 위치를 측정하는 것이 가능하다.
이중에서 수상 선박에 다운 스캔 소나 또는 사이드 스캔 소나를 장착하여 해저 지형 및 물체를 관측하는 방법이 있다.
이 방법은 해저면의 윤곽과 해저면에 있는 물체의 위치를 파악하는 목적으로 사용이 가능하나, 수중을 운항하는 무인잠수정의 3차원 위치 측정에 적용하기는 한계가 있다.
수중에서 운항하는 무인잠수정에서 반사되는 사이드 스캔 소나 이미지는 해저면 2차원 평면에 투영되므로 무인잠수정의 항법 성능 파악에 필요한 3차원 위치를 알 수 없다.
수상선 전방에 3차원 이미지 소나를 장착한 수중을 관측하는 방법은 수중 장애물을 판독하여 선박의 안전운항에 이용하고 있으며, 수중 이동체의 위치 파악에도 활용 가능하다.
하지만, 이 방법은 대규모 소나 어레이를 이용하며 장애물 회피를 위한 전방 감시가 주요 목적이고, 수중 3차원 공간에서 자율 이동하는 소형 무인잠수정의 위치 추적에 적용하기에는 한계가 있었다.
US 8009516 B2
본 발명의 목적은 소형 무인수상선에 위치 추적용 센서나 트랜스폰더의 장착 없이 자세 센서와 초음파 이미지 소나를 장착하여 무인잠수정의 수중 3차원 위치를 측정함으로써, 무인잠수정의 항법 성능을 평가할 수 있는 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법은 (a) 무인수상선이 수직 방향의 제1 이미지 소나 및 수평 방향의 제2 이미지 소나를 장착하고, 수중을 이동하는 무인잠수정의 3차원 위치를 추적하여 수직 및 수평 조향 음향 이미지와 절대 위치 데이터를 전송하는 단계; 및 (b) 중앙 통제소가 상기 수직 및 수평 조향 음향 이미지와 상기 절대 위치 데이터를 인가받아 상기 무인잠수정의 상대 위치가 측정범위 내에 유지되도록 상기 무인수상선의 경유점을 제어하면서, 상기 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가를 모니터링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 상기 (a) 단계는 (a-1) 상기 무인잠수정이 상기 제1 이미지 소나에서 방사된 전방 수직 방향의 소나 빔을 인가받아 선체 표면에서 제1 반사시키면, 수직 조향 음향 이미지부가 상기 수직 조향 음향 이미지를 생성하는 단계; (a-2) 상기 무인잠수정이 상기 제2 이미지 소나에서 방사된 전방 수평 방향의 소나 빔을 인가받아 선체 표면에서 제2 반사시키면, 수평 조향 음향 이미지부가 상기 수평 조향 음향 이미지를 생성하는 단계; (a-3) 타겟 제1 및 제2 트래킹부가 각각 상기 수직 조향 음향 이미지 또는 상기 수평 조향 음향 이미지를 인가받아 상기 무인잠수정의 경사각도, 방향각, 상기 무인수상선과의 제1 및 제2 거리를 획득하는 단계; (a-4) 상대 위치 산출부가 상기 무인잠수정의 상기 경사각도, 상기 제1 및 제2 거리, 상기 방향각을 인가받아 상기 무인잠수정의 상대 위치를 산출하는 단계; (a-5) GPS가 상기 무인수상선 중심의 3차원 위치를 측정하고, 자세-방위 측정 장치가 상기 무인수상선 중심의 3 자유도 자세 데이터를 측정하는 단계; 및 (a-6) 절대 위치 산출부가 상기 3차원 위치 및 상기 3 자유도 자세 데이터를 인가받아 상기 무인잠수정의 절대 위치를 산출하고, 경로 및 움직임 제어부가 상기 무인잠수정의 절대 위치를 인가받아 상기 무인수상선의 속도를 제어하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 상기 (a-1) 단계는 상기 제1 이미지 소나가 상기 전방 수직 방향의 소나 빔을 방사하는 단계; 상기 무인잠수정이 상기 방사된 수직 방향의 소나 빔을 인가받아 반사시켜 상기 제1 반사시키는 단계; 및 상기 수직 조향 음향 이미지부가 상기 제1 반사 신호를 인가받아 상기 수직 조향 음향 이미지를 생성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 상기 (a-2) 단계는 상기 제2 이미지 소나가 상기 전방 수평 방향의 소나 빔을 방사하는 단계; 상기 무인잠수정이 상기 방사된 수평 방향의 소나 빔을 인가받아 반사시켜 상기 제2 반사시키는 단계; 및 상기 수평 조향 음향 이미지부가 상기 제2 반사 신호를 인가받아 상기 수평 조향 음향 이미지를 생성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 상기 (a-3) 단계는 상기 타겟 제1 트래킹부가 상기 수직 조향 음향 이미지를 인가받아 상기 경사각도 및 상기 제1 거리를 획득하는 단계; 및 상기 타겟 제2 트래킹부가 상기 수평 조향 음향 이미지를 인가받아 상기 방향각 및 상기 제2 거리를 획득하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 상기 (a-5) 단계는 상기 GPS가 상기 무인수상선 중심의 3차원 위치
Figure pat00001
를 측정하는 단계; 및 상기 자세-방위 측정 장치가 상기 무인수상선 중심의 3 자유도 자세 데이터
Figure pat00002
를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 상기 (a-6) 단계는 상기 절대 위치 산출부가 상기 무인잠수정의 상기 3차원 위치
Figure pat00003
및 상기 3 자유도 자세 데이터
Figure pat00004
를 인가받아 상기 무인잠수정의 절대 위치 (X, Y, Z)를 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 상기 (a-6) 단계는 상기 경로 및 움직임 제어부가 상기 무인잠수정의 절대 위치 (X, Y, Z)를 인가받아 상기 무인잠수정이 관측 범위 내에 위치하여 상기 무인수상선이 상기 무인잠수정을 추적할 수 있도록 상기 무인수상선의 속도를 제어하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법은 상기 (a-6) 단계 이후에 무선 모뎀이 상기 무인잠수정의 절대 위치, 상기 수직 및 수평 조향 음향 이미지, 상기 3 자유도 자세 데이터를 인가받아 무인잠수정의 무선 안테나를 통하여 상기 중앙 통제소로 전송하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 상기 무인수상선은 쌍동(Small Water-plane Area Twin Hull, SWATH)형 선체인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 상기 제1 및 제2 이미지 소나는 실린더 형태의 유선형으로서, 상기 무인수상선의 선저 좌우에 수평 방향으로 장착되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법은 (a) 복수개의 무인수상선이 수직 방향의 이미지 소나를 장착하고, 일정 간격으로 연속한 측정 구역에서 위치를 확보하면, 수중을 이동하는 무인잠수정의 3차원 위치를 추적하여 음향 이미지 및 절대 위치 데이터를 전송하는 단계; 및 (b) 중앙 통제소가 상기 음향 이미지 및 상기 절대 위치 데이터를 인가받아 상기 무인잠수정의 수중 위치 및 상기 복수개의 측정 구역을 통과하는 시간을 측정하여 상기 무인잠수정의 속도를 계산하고, 상기 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 시스템을 통제하고 종합 모니터링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 상기 (a) 단계는 (a-1) 상기 복수개의 무인수상선이 각 이미지 소나에서 하방 수직 방향의 소나 빔을 방사하면, 각 음향 이미지부가 상기 음향 이미지를 생성하는 단계; (a-2) 상기 무인잠수정의 반사 신호가 수신되었는지 여부를 판단하여, 긍정의 경우 타겟 감지부가 상기 음향 이미지를 인가받아 상기 무인잠수정의 방향각 및 상기 무인수상선과의 거리를 획득하는 단계; (a-3) 상대 위치 산출부가 상기 무인잠수정의 상기 방향각 및 상기 거리를 인가받아 상기 무인잠수정의 상대 위치를 산출하는 단계; (a-4) GPS가 상기 무인수상선 중심의 3차원 위치를 측정하고, 자세-방위 측정 장치가 상기 무인수상선 중심의 3 자유도 자세 데이터를 측정하는 단계; 및 (a-5) 절대 위치 산출부가 상기 3차원 위치 및 상기 3 자유도 자세 데이터를 인가받아 상기 무인잠수정의 절대 위치를 산출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 상기 (a-1) 단계는 상기 복수개의 무인수상선의 각 이미지 소나가 상기 하방 수직 방향의 소나 빔을 상기 복수개의 무인수상선 각각의 측면 양쪽 하방으로 방사하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법은 상기 (a-2) 단계에서, 상기 무인잠수정의 반사 신호가 수신되지 않은 것으로 판단된 경우, 상기 무인잠수정이 상기 측정 구역을 통과하는지 여부를 판단하는 단계; 긍정의 경우, 상기 중앙 통제소가 각 측정 구역에서 측정된 상기 무인잠수정의 절대 위치를 산출하는 단계; 및 상기 중앙 통제소가 상기 측정 구역의 통과 시간의 차이, 상기 무인잠수정의 속도 및 통과 각도를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법은 상기 (a-5) 단계 이후에 무선 모뎀이 상기 무인잠수정의 절대 위치, 상기 음향 이미지, 상기 3 자유도 자세 데이터를 인가받아 상기 무인잠수정의 무선 안테나를 통하여 상기 중앙 통제소로 전송하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 상기 (b) 단계는 (b-1) 타겟 강도 윤곽선 생성부가 통제소 무선 모뎀을 통하여 상기 복수개의 측정 구역을 통과하는 상기 무인잠수정의 수중 위치 및 통과 시간에 대한 데이터를 무선으로 인가받아, 신호 강도 및 시간 경과에 따라 변화되는 무인잠수정의 복수개의 윤곽선을 생성하는 단계; (b-2) 윤곽선 매칭 및 시간 지연부가 상기 생성된 복수개의 윤곽선의 데이터를 인가받아, 각 윤곽선의 중앙값 시간을 통과 시간으로 간주하여 이웃하는 관측 지점에서의 무인잠수정 통과 시간을 계측하는 단계; (b-3) 타겟 속도 산출부가 상기 계측된 무인잠수정 통과 시간의 데이터를 인가받아, 각 무인잠수정의 이동 거리를 고려하여 이웃하는 관측 지점에서의 상기 무인잠수정의 속도 및 방향을 산출하는 단계; (b-4) 제어부가 상기 생성된 복수개의 윤곽선의 형태를 비교하여 일정값 이상의 상관관계가 있는지 여부를 판단하는 단계; (b-5) 상기 일정값 이상의 상관관계가 없으면 상기 제어부가 노이즈로 판별하는 단계; 및 (b-6) 상기 일정값 이상의 상관관계가 유지되면 디스플레이부가 상기 복수개의 측정 구역에서의 상기 무인잠수정의 속도 및 방향을 출력하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
본 발명에 의할 경우, 소나 센서 장착으로 인한 무인수상선에 작용하는 저항을 최소화하면서, 실해역 수중에서 임의의 궤적으로 장시간 운용되는 무인잠수정의 수중 항법 성능을 평가할 수 있고, 수중 장애물 회피 성능 및 수중 스테이션에 도킹하는 무인잠수정의 도킹 정밀도 평가 등에 활용할 수 있게 된다.
또한, 수평면에서의 항법성능이 중요한 실해역 시험에서 해상의 수면효과가 없는 수심에서 무인잠수정을 운용하며 평가할 수 있으므로, 천해용뿐 아니라 심해용 무인잠수정에 대해서도 항법성능 평가에 모두 적용 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 수중 항법 성능 평가 시스템에서 무인잠수정의 수중 항법 성능을 평가하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 수중 항법 성능 평가 시스템 내 무인수상선(100)의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 전반적인 동작을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따라 복수개의 측정 구역에서의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 수중 항법 성능 평가 시스템 내 제1 무인수상선(200-1)과 제1 무인잠수정(300-1) 간의 수중 항법 성능을 평가하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 7은 도 5에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따라 제1 내지 제4 측정 구역에서의 수중 항법 성능 평가 시스템에서 무인잠수정(300, 300')의 수중 항법 성능을 평가하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 8은 도 5에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 수중 항법 성능 평가 시스템 내 복수개의 측정 구역에서의 제1 내지 제3 무인수상선(200-1 내지 200-3)의 블록도이다.
도 9는 도 5에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 수중 항법 성능 평가 시스템 내 중앙 통제소(300)의 블록도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 전반적인 동작을 나타내는 순서도이다.
도 11은 도 5에 도시된 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법 중 단계(S270)의 부분 동작을 나타내는 순서도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 단계(S204)에서 복수개의 측정 구역에서의 제1 내지 제3 무인수상선(200-1 내지 200-3)의 각 윤곽선 매칭 및 시간 지연부에서 무인잠수정의 속도에 따라 통과 시간 대비 이미지 소나의 강도를 측정한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 시스템의 개략적인 구성도로서, 무인수상선(100), 무인잠수정(300) 및 중앙 통제소(400)를 포함한다. 무인수상선(100)은 제1 이미지 소나(110), 제2 이미지 소나(120), 자세-방위 측정 장치(140), GPS(150) 및 통신 안테나(180)를 포함한다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 수중 항법 성능 평가 시스템에서 무인잠수정(300)의 수중 항법 성능을 평가하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 수중 항법 성능 평가 시스템 내 무인수상선(100)의 블록도로서, 제1 이미지 소나(110), 제2 이미지 소나(120), 이미지 처리기(130), 자세-방위 측정 장치(140), GPS(150), 절대 위치 산출부(160), 경로 및 움직임 제어부(170) 및 무선 모뎀(180)을 포함한다.
이미지 처리기(130)는 수직 조향 음향 이미지부(131-1), 수평 조향 음향 이미지부(131-2), 타겟 제1 트래킹부(132-1), 타겟 제2 트래킹부(132-2) 및 상대 위치 산출부(133)를 포함한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 전반적인 동작을 나타내는 순서도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 시스템의 전반적인 동작을 설명하면 다음과 같다.
무인잠수정(300)이 제1 이미지 소나(110)에서 방사된 전방 수직 방향의 소나 빔을 인가받아 제1 반사 신호를 출력하면, 수직 조향 음향 이미지부(131-1)가 수직 조향 음향 이미지를 생성한다.
무인수상선(100)의 제1 이미지 소나(110)가 전방 수직 조향 소나 빔을 방사하고, 제2 이미지 소나(120)가 전방 수평 방향 조향 소나 빔을 방사한다(S110).
무인잠수정(300)은 방사된 전방 수직 및 전방 수평 방향 조향 소나 빔을 인가받아 선체 표면에서 반사한다(S115).
수직 조향 음향 이미지부(131-1)가 무인잠수정(300)에서 반사되는 신호를 수신하여 수직 조향 음향 이미지를 생성하고, 수평 조향 음향 이미지부(131-2)가 무인잠수정(300)에서 반사되는 신호를 수신하여 수평 조향 음향 이미지를 생성한다(S120).
타겟 제1 및 제2 트래킹부가 각각 수직 조향 음향 이미지 또는 수평 조향 음향 이미지를 인가받아 무인잠수정(300)의 경사각도, 방향각, 무인수상선(100)과의 제1 및 제2 거리를 획득한다(S125).
상대 위치 산출부(133)가 무인잠수정(300)의 경사각도, 제1 및 제2 거리, 방향각을 인가받아 무인잠수정(300)의 상대 위치를 산출한다(S130).
무인수상선(100)의 GPS(150)가 무인수상선(100) 중심의 3차원 위치를 측정하고, 자세-방위 측정 장치(140)가 무인수상선(100) 중심의 3 자유도 자세 데이터를 측정한다(S135).
절대 위치 산출부(160)가 3차원 위치 및 3 자유도 자세 데이터를 인가받아 무인잠수정(300)의 절대 위치를 산출하고, 경로 및 움직임 제어부(170)가 무인잠수정(300)의 절대 위치를 인가받아 무인수상선(100)의 속도를 제어한다(S140, S145).
무선 모뎀(180)이 무인잠수정(300)의 절대 위치, 수직 및 수평 조향 음향 이미지, 3 자유도 자세 데이터를 인가받아 무인잠수정(300)의 무선 안테나를 통하여 중앙 통제소(400)로 전송한다(S150).
중앙 통제소(400)가 수직 및 수평 조향 음향 이미지와 절대 위치 데이터를 인가받아 무인수상선(100)의 경유점을 제어하면서, 무인잠수정(300)의 수중 항법 성능 평가를 모니터링한다(S160).
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 구체적인 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 제1 실시예는 소형 무인수상선(100)이 무인잠수정(300)을 따라 이동 추적하며 3차원 위치를 평가하는 방법으로서, 수중을 자율 운항하는 무인잠수정(300)의 3차원 위치 추적에 적용 가능하다.
즉, 소형 무인수상선(100)에 무인잠수정(300)의 3차원 위치추적을 위하여 수직 방향의 제1 이미지 소나(110)와 수평 방향의 제2 이미지 소나(120)를 장착하고, 소형 무인수상선(100)이 수중을 이동하는 무인잠수정(300)을 추적하며 무인잠수정(300)의 3차원 궤적을 전체 구간에 대해 평가한다.
일반적으로 두 개의 이미지 소나를 무인수상선(100)에 장착하면, 이로 인하여 무인수상선(100)이 이동 중 받는 저항이 증가하게 되는데, 본 발명의 제1 실시예는 무인수상선(100)이 쌍동선 형상을 가지며, 쌍동선체 전방 선저 좌우에 수직 방향의 제1 이미지 소나(110)와 수평 방향의 제2 이미지 소나(120)를 각각 장착하여, 소나 센서 장착으로 인한 무인수상선(100)에 작용하는 저항을 최소화한다.
또한, 두 개의 이미지 소나의 분리에 따라 이미지 소나에서 측정되는 위치 옵셋을 보정함으로써, 수중에서 운항하는 무인잠수정(300)의 3차원 위치를 평가한다.
여기에서, 소형 무인수상선(100)은 쌍동(카타마란(Catamaran) 또는 Small Water-plane Area Twin Hull, SWATH)형 선체이며, 제1 및 제2 이미지 소나(110, 120)는 실린더 형태의 유선형으로 제작되고, 이동 중 저항을 최소화하도록 선저 좌우에 수평 방향으로 장착된다.
설치된 두 개의 이미지 소나의 트랜스폰더 헤드의 위치는 다음과 같다.
수직 방향의 제1 이미지 소나(110)의 설치 위치는
Figure pat00005
이고, 수평 방향의 제2 이미지 소나(120)의 설치 위치는
Figure pat00006
이다.
타겟 제1 트래킹부(132-1)는 무인수상선(100)의 수직 방향의 제1 이미지 소나(110)에서 측정되는 이미지로부터 무인잠수정(300)의 경사각도(slant angle)
Figure pat00007
와 무인수상선(100)과의 제1 거리 R1을 얻을 수 있다.
타겟 제2 트래킹부(132-2)는 무인수상선(100)의 수평 방향의 제2 이미지 소나(120)에서 측정되는 이미지로부터 무인잠수정(300)의 방향각(bearing angle)
Figure pat00008
와 무인수상선(100)과의 제2 거리 R2를 얻을 수 있다.
따라서, 상대 위치 산출부(133)는 다음의 수학식 1을 이용하여 무인잠수정(300)의 상대 위치를 산출한다.
[수학식 1]
Figure pat00009
무인수상선(100)은 해상 상태에 따라 6 자유도로 운동하므로, 무인수상선(100)에서 운동을 보정하여 무인잠수정(300)의 3차원 위치를 계산해야 한다.
무인수상선(100) 중심의 3차원 위치
Figure pat00010
는 GPS(150)를 이용해 측정되며, 3 자유도 자세 데이터
Figure pat00011
는 자세-방위 측정 장치(140)(Attitude Heading Reference System, AHRS)를 이용하여 각각 측정된다.
이때, 3 자유도 자세 데이터란 무인수상선(100)의 롤, 피치, 요잉(roll, pitch, yawing) 운동을 통해 획득된 데이터를 의미한다.
절대 위치 산출부(160)는 다음의 수학식 2를 이용하여 무인잠수정(300)의 무인잠수정(300)의 절대 위치 (X, Y, Z)를 계산한다.
[수학식 2]
Figure pat00012
여기에서,
Figure pat00013
이다.
무인수상선(100) 중심의 3차원 위치는 GPS(150)로부터 얻어지며, GPS(150)가 설치된 옵셋의 레버암 효과(lever-arm effect)를 보정한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예는 무인수상선(100)에 탑재된 수직 방향의 제1 이미지 소나(110) 및 수평 방향의 제2 이미지 소나(120)를 이용하여 무인잠수정(300)을 추적하며 항법성능을 평가한다.
무인잠수정(300)이 수중에서 임의의 방향으로 운항할 때, 무인수상선(100)은 무인잠수정(300)을 추적하며, 무인잠수정(300)이 소나 측정범위 내에 유지하도록 경로 제어를 실시한다.
본 발명의 제1 실시예는 무인수상선(100)의 두 이미지 소나가 무인잠수정(300)을 추적할 수 있게 하기 위하여 관측 범위 내에 위치하도록 무인수상선(100) 내 경로 및 움직임 제어부(170)를 제어한다.
도 3 에서 보는 바와 같이, 수직 방향의 제1 이미지 소나(110)에서 얻어진 2차원 이미지(I1)으로부터 무인수상선(100)에 탑재된 이미지 처리기를 통해 무인잠수정(300)의 경사각
Figure pat00014
와 무인잠수정(300)까지의 거리 R1을 산출한다.
또한, 수평 방향의 제2 이미지 소나(120)에서 얻어진 2차원 이미지(I2)로부터 영상 처리를 통해 무인잠수정(300)의 방향각
Figure pat00015
와 무인잠수정(300)까지의 거리 R2를 산출한다.
무인수상선(100)에 탑재된 마이크로프로세서를 이용하여 무인잠수정(300)의 상대 위치를 [수학식 1]로 계산하고, 무인수상선(100)의 위치 및 자세를 다음의 [수학식 2]를 이용하여 계산하여 보정한다.
무인잠수정(300)의 수중 절대 위치, 제1 이미지 소나(110)에서 얻어진 수직 방향 소나 이미지, 제2 이미지 소나(120)에서 얻어진 수평 방향 소나 이미지 및 3 자유도 자세 데이터는 무인수상선(100)에 탑재된 무선 모뎀(180)을 통하여 중앙 통제소(400)로 전송된다.
중앙 통제소(400)에서는 무인수상선(100)으로부터 무인잠수정(300)의 절대 위치, 수직/수평 조향 음향 이미지 및 3 자유도 자세 데이터를 인가받아 무인잠수정(300)의 수중 항법 성능 평가를 종합 모니터링하면서, 무인수상선(100) 및 무인잠수정(300)의 상대 위치가 측정범위 내에 유지되도록 무인수상선(100)의 경유점을 제어한다.
제2 실시예
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따라 복수개의 측정 구역에서의 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 시스템의 개략적인 구성도로서, 복수개의 측정 구역에서의 무인수상선(200-1 내지 200-3), 복수개의 측정 구역에서의 무인잠수정(300, 300', 300) 및 중앙 통제소(400)를 포함한다.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 수중 항법 성능 평가 시스템 내 제1 무인수상선(200-1)과 제1 무인잠수정(300-1) 간의 수중 항법 성능을 평가하는 과정을 나타내는 개념도로서, 무인수상선(200-1)은 이미지 소나(210), 자세-방위 측정 장치(240), GPS(250) 및 통신 안테나(280)를 포함한다.
도 7은 도 5에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따라 제1 내지 제4 측정 구역에서의 수중 항법 성능 평가 시스템에서 무인잠수정(300, 300')의 수중 항법 성능을 평가하는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 8은 도 5에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 수중 항법 성능 평가 시스템 내 복수개의 측정 구역에서의 제1 내지 제3 무인수상선(200-1 내지 200-3)의 블록도이다.
제1 무인수상선(200-1)은 제1 이미지 소나(210-1), 제1 음향 이미지부(231-1), 제1 타겟 감지부(232-1), 제1 자세-방위 측정 장치(240-1), 제1 GPS(250-1), 제1 절대 위치 산출부(260-1) 및 제1 무선 모뎀(285-1)을 포함한다.
제2 무인수상선(200-2)은 제2 이미지 소나(210-2), 제2 음향 이미지부(231-2), 제2 타겟 감지부(232-2), 제2 자세-방위 측정 장치(240-2), 제2 GPS(250-2), 제2 절대 위치 산출부(260-2) 및 제2 무선 모뎀(285-2)을 포함한다.
제3 무인수상선(200-3)은 제3 이미지 소나(210-3), 제3 음향 이미지부(231-3), 제3 타겟 감지부(232-3), 제3 자세-방위 측정 장치(240-3), 제3 GPS(250-3), 제3 절대 위치 산출부(260-3) 및 제3 무선 모뎀(285-3)을 포함한다.
도 9는 도 5에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 수중 항법 성능 평가 시스템 내 중앙 통제소(400)의 블록도로서, 통제소 무선 모뎀(310), 타겟 강도 윤곽선 생성부(320), 윤곽선 매칭 및 시간 지연부(330), 타겟 속도 산출부(340), 제어부(350) 및 디스플레이부(360)를 포함한다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 전반적인 동작을 나타내는 순서도이다.
도 5 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 시스템의 전반적인 동작을 설명하면 다음과 같다.
복수개의 무인수상선(200-1 내지 200-n)이 수직 방향의 이미지 소나(210)를 장착하고, 일정 간격으로 연속한 측정 구역에서 위치를 확보한다(S210).
복수개의 무인수상선(200-1 내지 200-n)이 각 이미지 소나에서 하방 수직 방향의 소나 빔을 방사하면, 각 음향 이미지부가 음향 이미지를 생성한다(S215, S225).
무인잠수정(300, 300’, 300)의 반사 신호가 수신되었는지 판단하여(S230), 긍정의 경우 타겟 감지부가 음향 이미지를 인가받아 무인잠수정(300, 300’, 300)의 방향각 및 무인수상선(200-1 내지 200-n)과의 거리를 획득 (S240)하고, 부정의 경우 무인잠수정(300, 300’, 300)이 측정 구역을 통과하는지 판단한다(S235).
단계(S240) 후에 상대 위치 산출부가 무인잠수정(300, 300’, 300)의 방향각 및 거리를 인가받아 무인잠수정(300, 300’, 300)의 상대 위치를 산출한다(S245).
GPS가 무인수상선(200-1 내지 200-n) 중심의 3차원 위치를 측정하고, 자세-방위 측정 장치가 무인수상선(200-1 내지 200-n) 중심의 3 자유도 자세 데이터를 측정한다(S250).
절대 위치 산출부가 3차원 위치 및 3 자유도 자세 데이터를 인가받아 무인잠수정(300, 300’, 300)의 절대 위치를 산출한다(S255).
무선 모뎀이 무인잠수정(300, 300’, 300)의 절대 위치, 음향 이미지, 3 자유도 자세 데이터를 인가받아 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 무선 안테나를 통하여 중앙 통제소(400)로 전송한다(S260).
중앙 통제소(400)가 음향 이미지 및 절대 위치 데이터를 수신하여수신 시간을 저장한 후에(S270), 단계(S215)로 회귀한다.
한편, 단계(S235)에서 무인잠수정(300, 300’, 300)이 측정 구역을 통과한 것으로 판단된 경우, 중앙 통제소(400)가 각 측정 구역에서 측정된 무인잠수정(300, 300’, 300)의 절대위치를 산출하고(S280), 측정 구역 통과 시간의 차이, 무인잠수정(300, 300’, 300)의 속도 및 통과 각도를 산출한다(S285).
중앙 통제소(400)가 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 수중 항법 성능 평가 시스템을 통제하고 종합 모니터링한다(S290).
도 11은 도 5에 도시된 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 수중 항법 성능 평가 방법 중 단계(S270)의 부분 동작을 나타내는 순서도이다.
도 5 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법 중 단계(S270)의 부분 동작을 설명하면 다음과 같다.
타겟 강도 윤곽선 생성부(320)가 통제소 무선 모뎀(310)을 통하여 복수개의 측정 구역을 통과하는 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 수중 위치 및 통과 시간에 대한 데이터를 무선으로 인가받아, 신호 강도 및 시간 경과에 따라 변화되는 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 복수개의 윤곽선을 생성한다(S271, S272).
윤곽선 매칭 및 시간 지연부(330)가 생성된 복수개의 윤곽선의 데이터를 인가받아, 각 윤곽선의 중앙값 시간을 통과 시간으로 간주하여 이웃하는 관측 지점에서의 무인잠수정 통과 시간을 계측한다(S273).
타겟 속도 산출부(340)가 계측된 무인잠수정 통과 시간의 데이터를 인가받아, 각 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 이동 거리를 고려하여 이웃하는 관측 지점에서의 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 속도 및 방향을 산출한다(S274).
제어부(350)가 생성된 복수개의 윤곽선의 형태를 비교하여 일정값 이상의 상관관계가 있는지 여부를 판단한다(S275, S276).
판단결과, 일정값 이상의 상관관계가 유지되면 디스플레이부(360)가 복수개의 측정 구역에서의 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 속도 및 방향을 출력하고(S277), 일정값 이상의 상관관계가 없으면 제어부(350)가 노이즈로 판별하여 단계(S271)로 회귀한다(S278).
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 단계(S204)에서 복수개의 측정 구역에서의 제1 내지 제3 무인수상선(200-1 내지 200-3)의 각 윤곽선 매칭 및 시간 지연부(330)에서 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 속도에 따라 통과 시간 대비 이미지 소나의 강도를 측정한 그래프로서, (a)는 중간 속도, (b)는 저속, (c)는 고속인 경우이다.
도 5 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법의 구체적인 동작 및 결과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 제2 실시예는 소형 무인수상선(200-1 내지 200-n)이 수중 고정 지점을 통과하는 무인잠수정(300, 300’, 300)의 3차원 위치를 평가하는 방법으로서, 무인잠수정(300, 300’, 300”)이 미리 계획된 궤적을 장시간 반복하며 운항하는 시험평가 또는 수중 스테이션에 도킹하는 무인잠수정(300, 300’, 300)의 성능시험 평가에 적용 가능하다.
즉, 복수개의 측정 구역에서 위치가 고정된 무인수상선(200-1 내지 200-n)(또는 수상 계류선으로 위치가 고정된 소형 바지선 또는 부이)에 수직으로 설치된 이미지 소나를 통하여 일정거리 떨어진 연속 지점에서 무인잠수정(300, 300’, 300)이 수중 특정 지점을 통과하는 위치를 측정함으로써 이동 속도를 산출한다.
무인수상선(200-1 내지 200-n)에 탑재된 이미지 소나는 무인수상선(200-1 내지 200-n)에 수직하게 설치되며, 무인수상선(200-1 내지 200-n)의 측면 양쪽 하방으로 소나 빔이 방사되어 롤 방향으로 분해능을 갖도록 설치한다.
무인수상선(200-1 내지 200-n)은 일정 위치를 확보하기 위하여 동 위치제어(dynamic positioning)를 실시하거나 수면 상에서 계류선으로 고정한다.
이 방법은 무인잠수정(300, 300’, 300)이 미리 계획된 궤적을 장시간 반복하며 운항하는 시험평가에 적용하거나, 수중 또는 수상 장애물 회피 성능 시험평가에 적용하기 적합하며, 수중 스테이션에 도킹하는 무인잠수정(300, 300’, 300)의 수중 항법 및 도킹 성능시험 평가에도 적용 가능하다.
도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예는 수중을 운항하는 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 항법성능 평가에 있어서 특정 위치를 지날 때의 항법 오차를 측정하는 방법이므로, 관심있는 지점에 동일한 측정장치를 복수개 설치하여 이동 궤도 구간별로 항법 오차를 평가할 수 있다.
도 6에서 보는 바와 같이, 정지된 무인수상선(200-1 내지 200-n)(또는 계류 바지선 또는 부이) 선저에 이미지 소나 헤드가 수직 하방을 향하고 방사되는 소나 빔이 무인수상선(200-1 내지 200-n)의 측면 방향으로 방사되도록 설치하고, 무인잠수정(300, 300’, 300)에서 반사되어 수신되는 소나 이미지를 이용하여 무인잠수정(300, 300’, 300)이 수중 특정 지점을 통과하는 위치를 측정한다.
무인수상선(200-1 내지 200-n)에 설치된 이미지 소나의 트랜스폰더 헤드의 위치는
Figure pat00016
이다.
이미지 소나에서 측정되는 수직 하방 이미지로부터 무인잠수정(300, 300’, 300)의 방향각
Figure pat00017
와 무인수상선(200-1 내지 200-n)과의 거리 R을 얻으면, 통과하는 무인잠수정(300, 300’, 300)의 상대 위치는 다음의 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure pat00018
무인잠수정(300, 300’, 300”)의 절대 위치(X,Y,Z)는 제1 실시예와 마찬가지로 수학식 2와 동일한 방법으로 구할 수 있다.
이와 같은 측정장치를 일정 간격으로 연속한 복수개의 지점(본 실시예에서는 세 지점)에 설치(바지선에 장착할 경우는 하나의 바지선에 3개의 측정장치를 연속하여 설치)하면, 무인잠수정(300, 300’, 300”)이 이 지점들을 지나는 시간을 측정함으로써 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 속도와 방향각을 측정할 수 있다.
도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예는 무인잠수정(300, 300’)의 수중 항법 성능 평가를 위하여 관심지역인 측정 구역 1 내지 4에 가변적으로 기준점을 설치한다.
도 6 및 도 8에서 보는 바와 같이, 세 지점 각각의 수직 하방 이미지 소나에서 얻어진 2차원 이미지 I1, I2, I3로부터 각 무인수상선(200-1 내지 200-n)에 탑재된 음향 이미지부(231-1, 231-2, 231-3), 타겟 감지부(232-1, 232-2, 232-3), 자세-방위 측정 장치(240-1, 240-2, 240-3), GPS(250-1, 250-2, 250-3), 절대 위치 산출부(260-1, 260-2, 260-3)를 통해 무인잠수정(300-1)의 방향각 와 무인잠수정(300-1)까지의 거리 R을 산출한다.
무인수상선(200-1 내지 200-n)에 탑재된 프로세서를 이용하여 각 지점을 통과하는 무인잠수정(300-1)의 상대 위치를 수학식 3으로 계산하고, 무인수상선(200-1 내지 200-n) 각각의 위치 및 자세를 수학식 2로 보정하여 계산한다.
한편, 각 지점을 통과하는 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 수중 절대 위치, 수직 하방 소나 이미지, 무인수상선(200-1 내지 200-n)의 자세 및 위치 정보는 무인수상선(200-1 내지 200-n) 각각에 탑재된 무선 모뎀을 통하여 중앙 통제소(400)로 전송한다.
도 9에서 보는 바와 같이, 중앙 통제소(400)에서는 타겟 강도 윤곽선 생성부(320)가 통제소 무선 모뎀(310)을 통하여 세 지점의 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 수중위치와 통과 시간에 대한 데이터를 무선으로 인가받아, 신호 강도 및 시간 경과에 따라 변화되는 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 복수개의 윤곽선을 생성한다.
윤곽선 매칭 및 시간 지연부(330)는 타겟 강도 윤곽선 생성부(320)로부터 생성된 세 지점의 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 복수개의 윤곽선 데이터를 인가받아, 각 윤곽선의 중앙값 시간을 통과 시간으로 간주하여 이웃하는 3개 관측 지점에서의 무인잠수정(300, 300’, 300”) 통과 시간을 계측한다.
타겟 속도 산출부(340)는 윤곽선 매칭 및 시간 지연부(330)로부터 계측된 3개 관측 지점에서의 무인잠수정(300, 300’, 300”) 통과 시간 데이터를 인가받아, 각 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 이동 거리를 고려하여 이웃하는 3개 관측 지점에서의 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 속도 및 방향을 산출한다.
이때, 제어부(350)는 3개 지점에서 얻어진 신호의 복수개의 윤곽선 형태를 서로 비교하여 일정값 이상의 상관관계(coherence)가 있는지 여부를 판단하여, 일정값 이상의 상관관계가 없으면 노이즈로 판별하고, 일정값 이상의 상관관계가 유지되면 3개 관측 지점에서의 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 속도 및 방향을 디스플레이부(360)를 통하여 출력한다.
이와 같이, 중앙 통제소(400)에서는 세 지점의 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 수중위치와 통과 시간을 측정하여 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 속도와 방향각을 계산하고, 관심있는 복수의 지점에 대해 동일한 방법으로 측정함으로써, 특정 지점을 통과하는 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 수중 항법 성능 평가 시스템을 통제하고 종합 모니터링한다.
도 11에서 보는 바와 같이, 무인잠수정(300, 300’, 300”)이 이미지 소나가 연속해 설치된 제1 내지 제3 관측 지점을 순차적으로 통과할 때에, 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 속도 변화에 따라 신호 강도 윤곽선이 변화되므로, 각 지점에서 이미지 소나 영상의 신호가 시간 증가에 따라 변하는 신호 강도의 시계열 데이터와 이의 윤곽선을 찾아 통과 시간이 측정된다.
즉, 이미지 소나에서 방사되는 음향신호는 일정한 각도를 갖고 방사되므로 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 크기, 관측거리, 속도 및 이미지 소나 관측 평면으로의 진입 각도에 따라 신호 강도와 신호 감지 주기가 변화한다.
따라서, 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 속도 측정 정확도를 향상시키기 위하여, 연속하는 지점에서 관측되는 이미지 소나 영상에 대하여 신호 처리를 수행한다.
각 이미지 소나 영상에 대하여, 시간 스텝별로 얻어지는 소나 영상을 비교하여 신호 강도가 임계값 이상 변하는 지점을 찾고, 이 지점에서의 신호 강도와 시간 경과에 따른 변화 윤곽선을 계산하여 윤곽선의 중앙값 시간을 통과 시간으로 측정한다.
이러한 방법을 통하여 이웃하는 3개 관측 지점에서의 무인잠수정(300, 300’, 300”) 통과 시간을 계측할 수 있고, 각 지점에서 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 수중 위치와의 상관 관계를 통하여 무인잠수정(300, 300’, 300”)의 속도와 방향을 계산할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명은 소형 무인수상선에 위치 추적용 센서나 트랜스폰더의 장착 없이 초음파 이미지 소나 만을 장착하여 무인잠수정의 수중 3차원 위치를 측정함으로써, 무인잠수정의 항법 성능을 평가할 수 있는 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 방법을 제공한다.
이를 통하여, 소나 센서 장착으로 인한 무인수상선에 작용하는 저항을 최소화하면서, 실해역 수중에서 임의의 궤적으로 장시간 운용되는 무인잠수정의 수중 항법 성능을 평가할 수 있고, 수중 장애물 회피 성능 및 수중 스테이션에 도킹하는 무인잠수정의 도킹 정밀도 평가 등에 활용할 수 있게 된다.
또한, 수평면에서의 항법성능이 중요한 실해역 시험에서 해상의 수면효과가 없는 수심에서 무인잠수정을 운용하며 평가할 수 있으므로, 천해용뿐 아니라 심해용 무인잠수정에 대해서도 항법성능 평가에 모두 적용 가능하게 된다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
100, 200: 무인수상선
300: 무인잠수정
400: 중앙 통제소

Claims (17)

  1. (a) 무인수상선이 수직 방향의 제1 이미지 소나 및 수평 방향의 제2 이미지 소나를 장착하고, 수중을 이동하는 무인잠수정의 3차원 위치를 추적하여 수직 및 수평 조향 음향 이미지와 절대 위치 데이터를 전송하는 단계; 및
    (b) 중앙 통제소가 상기 수직 및 수평 조향 음향 이미지와 상기 절대 위치 데이터를 인가받아 상기 무인잠수정의 상대 위치가 측정범위 내에 유지되도록 상기 무인수상선의 경유점을 제어하면서, 상기 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가를 모니터링하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  2. 제 2 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는
    (a-1) 상기 무인잠수정이 상기 제1 이미지 소나에서 방사된 전방 수직 방향의 소나 빔을 인가받아 선체 표면에서 제1 반사시키면, 수직 조향 음향 이미지부가 상기 수직 조향 음향 이미지를 생성하는 단계;
    (a-2) 상기 무인잠수정이 상기 제2 이미지 소나에서 방사된 전방 수평 방향의 소나 빔을 인가받아 선체 표면에서 제2 반사시키면, 수평 조향 음향 이미지부가 상기 수평 조향 음향 이미지를 생성하는 단계;
    (a-3) 타겟 제1 및 제2 트래킹부가 각각 상기 수직 조향 음향 이미지 또는 상기 수평 조향 음향 이미지를 인가받아 상기 무인잠수정의 경사각도, 방향각, 상기 무인수상선과의 제1 및 제2 거리를 획득하는 단계;
    (a-4) 상대 위치 산출부가 상기 무인잠수정의 상기 경사각도, 상기 제1 및 제2 거리, 상기 방향각을 인가받아 상기 무인잠수정의 상대 위치를 산출하는 단계;
    (a-5) GPS가 상기 무인수상선 중심의 3차원 위치를 측정하고, 자세-방위 측정 장치가 상기 무인수상선 중심의 3 자유도 자세 데이터를 측정하는 단계; 및
    (a-6) 절대 위치 산출부가 상기 3차원 위치 및 상기 3 자유도 자세 데이터를 인가받아 상기 무인잠수정의 절대 위치를 산출하고, 경로 및 움직임 제어부가 상기 무인잠수정의 절대 위치를 인가받아 상기 무인수상선의 속도를 제어하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (a-1) 단계는
    상기 제1 이미지 소나가 상기 전방 수직 방향의 소나 빔을 방사하는 단계;
    상기 무인잠수정이 상기 방사된 수직 방향의 소나 빔을 인가받아 반사시켜 상기 제1 반사시키는 단계; 및
    상기 수직 조향 음향 이미지부가 상기 제1 반사 신호를 인가받아 상기 수직 조향 음향 이미지를 생성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 (a-2) 단계는
    상기 제2 이미지 소나가 상기 전방 수평 방향의 소나 빔을 방사하는 단계;
    상기 무인잠수정이 상기 방사된 수평 방향의 소나 빔을 인가받아 반사시켜 상기 제2 반사시키는 단계; 및
    상기 수평 조향 음향 이미지부가 상기 제2 반사 신호를 인가받아 상기 수평 조향 음향 이미지를 생성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 (a-3) 단계는
    상기 타겟 제1 트래킹부가 상기 수직 조향 음향 이미지를 인가받아 상기 경사각도 및 상기 제1 거리를 획득하는 단계; 및
    상기 타겟 제2 트래킹부가 상기 수평 조향 음향 이미지를 인가받아 상기 방향각 및 상기 제2 거리를 획득하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 (a-5) 단계는
    상기 GPS가 상기 무인수상선 중심의 3차원 위치
    Figure pat00019
    를 측정하는 단계; 및
    상기 자세-방위 측정 장치가 상기 무인수상선 중심의 3 자유도 자세 데이터
    Figure pat00020
    를 측정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (a-6) 단계는
    상기 절대 위치 산출부가 상기 무인잠수정의 상기 3차원 위치
    Figure pat00021
    및 상기 3 자유도 자세 데이터
    Figure pat00022
    를 인가받아 상기 무인잠수정의 절대 위치(X, Y, Z)를 산출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 (a-6) 단계는
    상기 경로 및 움직임 제어부가 상기 무인잠수정의 절대 위치 (X, Y, Z)를 인가받아 상기 무인잠수정이 관측 범위 내에 위치하여 상기 무인수상선이 상기 무인잠수정을 추적할 수 있도록 상기 무인수상선의 속도를 제어하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 (a-6) 단계 이후에
    무선 모뎀이 상기 무인잠수정의 절대 위치, 상기 수직 및 수평 조향 음향 이미지, 상기 3 자유도 자세 데이터를 인가받아 무인잠수정의 무선 안테나를 통하여 상기 중앙 통제소로 전송하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 무인수상선은
    쌍동(Small Water-plane Area Twin Hull, SWATH)형 선체인 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 이미지 소나는
    실린더 형태의 유선형으로서, 상기 무인수상선의 선저 좌우에 수평 방향으로 장착되는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  12. (a) 복수개의 무인수상선이 수직 방향의 이미지 소나를 장착하고, 일정 간격으로 연속한 측정 구역에서 위치를 확보하면, 수중을 이동하는 무인잠수정의 3차원 위치를 추적하여 음향 이미지 및 절대 위치 데이터를 전송하는 단계; 및
    (b) 중앙 통제소가 상기 음향 이미지 및 상기 절대 위치 데이터를 인가받아 상기 무인잠수정의 수중 위치 및 상기 복수개의 측정 구역을 통과하는 시간을 측정하여 상기 무인잠수정의 속도를 계산하고, 상기 무인잠수정의 수중 항법 성능 평가 시스템을 통제하고 종합 모니터링하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는
    (a-1) 상기 복수개의 무인수상선이 각 이미지 소나에서 하방 수직 방향의 소나 빔을 방사하면, 각 음향 이미지부가 상기 음향 이미지를 생성하는 단계;
    (a-2) 상기 무인잠수정의 반사 신호가 수신되었는지 여부를 판단하여, 긍정의 경우 타겟 감지부가 상기 음향 이미지를 인가받아 상기 무인잠수정의 방향각 및 상기 무인수상선과의 거리를 획득하는 단계;
    (a-3) 상대 위치 산출부가 상기 무인잠수정의 상기 방향각 및 상기 거리를 인가받아 상기 무인잠수정의 상대 위치를 산출하는 단계;
    (a-4) GPS가 상기 무인수상선 중심의 3차원 위치를 측정하고, 자세-방위 측정 장치가 상기 무인수상선 중심의 3 자유도 자세 데이터를 측정하는 단계; 및
    (a-5) 절대 위치 산출부가 상기 3차원 위치 및 상기 3 자유도 자세 데이터를 인가받아 상기 무인잠수정의 절대 위치를 산출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 (a-1) 단계는
    상기 복수개의 무인수상선의 각 이미지 소나가 상기 하방 수직 방향의 소나 빔을 상기 복수개의 무인수상선 각각의 측면 양쪽 하방으로 방사하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 (a-2) 단계에서,
    상기 무인잠수정의 반사 신호가 수신되지 않은 것으로 판단된 경우,
    상기 무인잠수정이 상기 측정 구역을 통과하는지 여부를 판단하는 단계;
    긍정의 경우, 상기 중앙 통제소가 각 측정 구역에서 측정된 상기 무인잠수정의 절대 위치를 산출하는 단계; 및
    상기 중앙 통제소가 상기 측정 구역의 통과 시간의 차이, 상기 무인잠수정의 속도 및 통과 각도를 산출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 (a-5) 단계 이후에
    무선 모뎀이 상기 무인잠수정의 절대 위치, 상기 음향 이미지, 상기 3 자유도 자세 데이터를 인가받아 상기 무인잠수정의 무선 안테나를 통하여 상기 중앙 통제소로 전송하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    (b-1) 타겟 강도 윤곽선 생성부가 통제소 무선 모뎀을 통하여 상기 복수개의 측정 구역을 통과하는 상기 무인잠수정의 수중 위치 및 통과 시간에 대한 데이터를 무선으로 인가받아, 신호 강도 및 시간 경과에 따라 변화되는 무인잠수정의 복수개의 윤곽선을 생성하는 단계;
    (b-2) 윤곽선 매칭 및 시간 지연부가 상기 생성된 복수개의 윤곽선의 데이터를 인가받아, 각 윤곽선의 중앙값 시간을 통과 시간으로 간주하여 이웃하는 관측 지점에서의 무인잠수정 통과 시간을 계측하는 단계;
    (b-3) 타겟 속도 산출부가 상기 계측된 무인잠수정 통과 시간의 데이터를 인가받아, 각 무인잠수정의 이동 거리를 고려하여 이웃하는 관측 지점에서의 상기 무인잠수정의 속도 및 방향을 산출하는 단계;
    (b-4) 제어부가 상기 생성된 복수개의 윤곽선의 형태를 비교하여 일정값 이상의 상관관계가 있는지 여부를 판단하는 단계;
    (b-5) 상기 일정값 이상의 상관관계가 없으면 상기 제어부가 노이즈로 판별하는 단계; 및
    (b-6) 상기 일정값 이상의 상관관계가 유지되면 디스플레이부가 상기 복수개의 측정 구역에서의 상기 무인잠수정의 속도 및 방향을 출력하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    무인잠수정 수중 항법 성능 평가 방법.
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