KR20210079934A - Gnss-imu 네트워크를 이용한 실시간 광역 지표변형 감시 체계 - Google Patents

Gnss-imu 네트워크를 이용한 실시간 광역 지표변형 감시 체계 Download PDF

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Abstract

실시간 광역 지표변형 감시 방법 및 실시간 광역 지표변형 감시 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시간 광역 지표변형 감시 방법은, 광역 지표 변형 감시를 수행하는 동안, 기선 거리가 20 km 이상이 되거나 또는 지표 변형으로 인해 GNSS 기준국 수신기의 위치가 변경되는지 확인하는 단계와, 기선 거리 또는 기준국 수신기 위치 변경에 관한 문제 발생 시, 광역 지표 변형 감시를, 개별 수신기로부터 RTK 엔진을 갖춘 서버로 전환하여 수행하도록 하는 단계, 및 감시국 수신기에서 GNSS와 IMU를 동시에 운영하여 GNSS-IMU 융합 기법에 의해 데이터의 출력 주기를 수백 Hz 이상으로 높이는 단계를 포함한다.

Description

GNSS-IMU 네트워크를 이용한 실시간 광역 지표변형 감시 체계{Real-Time Ground Deformation Monitoring System for Wide Areas using GNSS-IMU Network}
본 발명은 전지구위성항법 (GNSS) 수신기와 관성항법센서 (IMU) 네트워크를 이용하여 광역 실시간 지표변형 감시를 수행할 수 있는 알고리즘 및 체계에 관한 것이다.
지진 및 화산, 단층과 같이 지표 변위를 유발하는 지구물리적 현상을 연구하기 위해 다양한 변위 감지 센서들을 사용하는데 가장 널리 사용되는 센서 중의 하나가 GNSS 수신기를 이용한 방법이다. GNSS 수신기는 20 km 내의 거리에서 GNSS RTK (Real-Time Kinematic) 기법을 이용하여 1 cm 수준의 정확도로 3차원 지표 변형을 산출할 수 있다. 한편 GNSS RTK 기준국 수신기와 감시국 수신기 간의 기선 거리가 20 km 이상으로 증가할 경우 산출 좌표 정확도가 점차 하락하는 경향을 보이는데 이것은 기선 거리가 증가할수록 기준국과 감시국 간의 공간적인 상관성이 저하되어 데이터 차분에 의해 오차 상쇄 효과가 떨어지기 때문이다. 또한 RTK 기준국의 경우 위치를 미리 알고 있는 값으로 고정시켜 사용하는데 지진 등으로 인해 지표 변형이 발생하여 기준국 위치가 변한 경우 이를 보정하지 않으면 오차 요인으로 작용하게 된다. 추가로 기준국 수신기와 감시국 수신기의 데이터 출력 주기중 낮은 쪽의 주기에 의해 GNSS RTK 측위해의 출력 주기가 결정되는데 국내의 경우 통상적인 GNSS 기준국 네트워크의 출력 주기가 1 Hz 수준이므로 지표 변형 감시 결과도 1 Hz에 맞춰지게 되어 지진 등의 50 Hz 이상의 샘플링이 필요한 고주파 성분이 포함된 지표 변형을 감시하는데 한계가 있다. 본 발명은 기선거리 20 km 이상의 광역 지역에 대해 지표변형 감시를 수행할 때 보다 정확한 GNSS 측위 결과를 산출하고 또한 지진과 같은 고주파 지표 변형 감시에 활용하기 위해 IMU 센서 데이터를 GNSS와 함께 사용하는 지표 변형 감시 체계에 관한 것이다.
본 발명은 GNSS RTK를 이용한 광역 지표 변형 감시를 위해 기선거리가 20 km 이상인 경우나 지표 변형 발생으로 인해 GNSS 기준국 위치가 변경되었을 경우 RTK 측위 정확도가 저하되는 현상과 GNSS 기준국 또는 감시국 수신기의 데이터 출력 주기 제한으로 인해 측위 출력 주기를 높일 수 없는 문제에 대해 해결하고자 한다.
본 발명은 광역 지표 변형 감시에서 발생할 수 있는 기선거리 문제와 지표 변형으로 야기된 기준국 좌표 변경의 문제를, 지표변형 감시를 개별 수신기가 수행하지 않고 RTK 엔진을 갖춘 서버가 수행하도록 변경함으로써 해결할 수 있다.
본 발명은 측위 출력 주기를 향상하는 수단을 감시국 수신기에서 GNSS와 IMU를 동시에 운영하여 GNSS-IMU 융합 기법으로 출력 주기를 수백 Hz 이상으로 높이는 기법으로 해결 가능하다.
본 발명을 통해 기선거리가 20 km가 넘는 광역이나 지표 변형이 발생한 경우에도 성능 저하 없이 실시간 지표변형 감시를 수행할 수 있으며 지표 변위 출력을 최대 수백 - 수천 Hz 수준으로 IMU 센서 출력 주기까지 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시간 광역 지표변형 감시 시스템에서, 기선 거리 20 km 이하의 GNSS 기준국 및 감시국 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시간 광역 지표변형 감시 시스템에서, 기선 20 km 이상의 광역 GNSS 수신기 및 서버 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시간 광역 지표변형 감시 시스템에서, GNSS-IMU 이용 지표 변형 감시 장비를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시간 광역 지표변형 감시 시스템에서, GNSS-IMU 네트워크 이용 광역 지표변형 감시 체계의 개략도를 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시간 광역 지표변형 감시 시스템에서, 기선 거리 20 km 이하의 GNSS 기준국 및 감시국 구성을 도시한 도면이다.
통상적인 GNSS RTK를 이용한 실시간 지표변형 감시를 수행하는 사례로 도 1과 같은 구성을 생각할 수 있다.
도 1을 참조하면, RTK 측위 모듈은 감시국 수신기 내부에 탑재되어 기준국 수신기 데이터를 인터넷을 통해 전송받는 형태인데 현재 인터넷을 통해 GNSS 데이터를 전송할 때 가장 널리 쓰이는 통신 규약은 NTRIP이다.
현재 국내 공공기관 NTRIP 데이터 송신 주기는 1 Hz로 되어 있어 해당 기준국과 연동할 경우 감시국 수신기의 데이터 출력 주기에 관계없이 GNSS RTK 출력 주기가 1 Hz로 제한된다.
또한 RTK 측위가 감시국 수신기에 탑재되므로 기준국과 감시국 간의 거리를 20 km 이하로 맞추는 것이 필요하며 기준국 수신기의 위치가 지진 또는 다른 이유에 의해 변경될 경우 이를 보정하기 위해 시스템 중단 및 재설정 과정을 거쳐야 한다.
본 발명에서 제안하는 실시간 광역 지표변형 감시 시스템은 도 2와 같은 형태로 구성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시간 광역 지표변형 감시 시스템에서, 기선 20 km 이상의 광역 GNSS 수신기 및 서버 구성을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 실시간 광역 지표변형 감시 시스템은 개별 수신기에 의해 광역 지표 변형 감시를 수행하는 동안, GNSS 기준국 수신기의 위치가 일정 범위를 초과하여 변경되는지 확인하고, GNSS 기준국 수신기의 위치가 일정 범위를 초과하여 변경되는 경우, 상기 개별 수신기를, RTK 엔진을 갖춘 서버로 전환하여, 상기 서버에서 상기 광역 지표 변형 감시를 수행하도록 한다.
또한 본 발명에 따른 실시간 광역 지표변형 감시 시스템은 감시국 수신기에서 GNSS와 IMU를 동시에 운영하여 GNSS-IMU 융합 기법에 의해 데이터의 출력 주기를 수백 Hz 이상으로 높일 수 있다.
본 발명에 따른 실시간 광역 지표변형 감시 시스템은 GNSS 이용 광역 지표변형 산출 시, 기선거리 20 km 이상인 경우, 성능 저하 없이 좌표를 산출하기 위한 알고리즘에 따라 운용될 수 있다.
도 2에서 수신기들이 일렬로 정렬되어 있고 각 수신기 간의 거리를 20 km로 되어 있다고 가정할 경우 기준국 수신기로부터 감시국 수신기 2와 감시국 수신기 3의 거리는 각각 40 km와 60 km가 되어 RTK 측위 시에 성능 저하가 발생하게 된다. 본 발명은 이를 해결하기 위해 다음과 같은 절차로 수행한다.
1. 기준국 및 감시국 1, 2, 3에서 생성한 GNSS 데이터를 인터넷을 통해 데이터 수집 및 RTK 측위 서버로 송신한다. 이 과정에서 기준국 및 개별 감시국들은 RTK 측위를 수행할 필요가 없으므로 RTK 모듈을 탑재하지 않은 상대적으로 저가 GNSS 수신기를 활용할 수 있다.
2. RTK 측위 서버에서 수집한 기준국 및 감시국 수신기들 중에서 먼저 기준국과 감시국 수신기1과의 RTK 측위 결과를 수행하고 감시국 수신기1의 위치를 결정한다.
3. 감시국 수신기1의 위치를 결정한 뒤 RTK 측위 서버는 감시국 수신기1을 기준국으로 재설정하고 감시국 수신기2와의 RTK 측위를 수행하여 감시국 수신기2의 위치를 결정한다. 이 과정을 통해 감시국 수신기1의 위치가 변하더라도 수신기1의 위치를 재계산하게 되므로 위치 변화를 반영할 수 있다.
4. 같은 방식으로 수신기 2의 위치를 기준국으로 재설정하여 수신기 3의 위치를 계산하며 추가적인 수신기가 있을 경우 모든 감시국 수신기의 위치를 계산할 때까지 반복 적용한다.
상기의 예에서 감시국 수신기들이 1차원적으로 정렬된 상황을 가정하여 기술하였는데 실제 광역 지표 변형 관측 네트워크는 지면 위 2차원 상에 분포되어 있으므로 상기의 처리 방식을 2차원상으로 확대 적용하면 다음과 같다.
1. 최초 기준국에 대해 위경도 및 고도 또는 ECEF X, Y, Z 좌표 정보를 이용하여 반경 20 km 이내의 모든 감시국 좌표를 RTK 측위를 통해 계산한다.
2. GNSS 수신기 네트워크에서 계산되지 않은 감시국들이 존재할 경우 1번 단계에서 계산한 감시국들 중 근접한 감시국을 기준국으로 재설정하고 해당 기준국을 중심으로 반경 20 km 이내의 모든 감시국 좌표를 계산한다.
3. GNSS 수신기 네트워크 상의 모든 수신기 좌표가 계산될 때 까지 2번 단계를 반복 적용한다.
위의 과정을 통해 광역 지표변형 네트워크 상의 GNSS 수신기 좌표를 20 km 내의 기선거리로 모두 처리하는 것이 가능하다. 이 과정에서 최초의 기준국을 제외한 그외의 기준국들은 감시국을 겸하고 있으므로 지진 또는 다른 이유로 인한 지표 변형으로 인해 좌표가 변하더라도 새로운 좌표가 관측 데이터 입력 주기에 맞추어 지속적으로 갱신되므로 기준국의 좌표 변동에 따른 오차를 효과적으로 제거할 수 있다.
한편 감시국 GNSS 수신기에 IMU 센서를 함께 탑재한 경우 기준국 또는 감시국 GNSS 수신기의 데이터 출력 주기보다 매우 높은 주기로 좌표를 출력하는 것이 가능하다. 예를 들어 1 Hz GNSS 데이터와 더불어 50 Hz IMU 데이터를 이용할 경우 서버로의 데이터 전송 주기는 1 Hz에 맞추되 1 Hz GNSS 데이터와 50 Hz IMU 데이터를 함께 RTK 측위 서버로 전송하고 다음과 같은 과정을 통해 50 Hz 주기로 좌표 산출이 가능하다.
1. GNSS 기준국 및 감시국 수신기 간의 RTK 측위를 수행하여 감시국 수신기의 좌표를 1 Hz 주기로 산출한 뒤 해당 감시국 수신기에 장착된 50 Hz IMU 데이터를 분리한다.
2. 단계 1에서 계산한 GNSS RTK 좌표에 대해 가속도계 데이터를 이용하여 0.02초 간격으로 이중 적분을 통해 좌표 변화를 계산한다. 이것은 칼만 필터를 사용할 경우 time update를 반복하는 과정에 해당하며 감시국 좌표를 포함한 상태 벡터와 더불어 상태 오차 공분산도 함께 계산한다.
3. 새로운 GNSS 데이터가 입력될 때 단계 2에서 계산한 좌표값을 갱신한다. 칼만 필터를 사용할 경우 measurement update를 수행하는 과정에 해당하며 단계 2에서 계산한 상태 벡터와 상태 오차 공분산을 갱신하면서 단계 2의 과정을 반복한다.
상기의 방법으로 50 Hz의 IMU 데이터 출력 주기에 맞추어 감시국의 지표 변형을 50 Hz로 지표 변형 산출이 가능한데 이때 지표 변형 산출 주기는 IMU 데이터 출력 주기와 동일하므로 최근 보급형 MEMS IMU 데이터 출력 주기가 수 백 Hz 수준까지 높일 수 있음을 감안하면 상기의 방법으로 지표 변형 산출 주기를 필요한 수준까지 제고하는 것은 충분히 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시간 광역 지표변형 감시 시스템에서, GNSS-IMU 이용 지표 변형 감시 장비를 도시한 도면이다.
도 3에는 자체 제작한 GNSS 수신기와 IMU 센서를 탑재한 NTRIP 감시국 장비가 도시되어 있다.
도 3에 도시한 것처럼 NTRIP 감시국 장비는 SMA 단자를 통해 안테나와 연결하는 GNSS 수신기와, IMU 센서와, 임베디드 컨트롤러 및 전원을 포함하여 구성될 수 있다.
컨트롤러에서 GNSS와 IMU 데이터를 데이터로깅 후 인터넷을 통해 측위 서버에 전송하면 측위 서버는 상기에 설명한 알고리즘을 이용하여 지표 변형 산출을 수행한다.
도 4는 본 발명의 실시간 광역 지표변형 감시 시스템에서, GNSS-IMU 네트워크 이용 광역 지표변형 감시 체계의 개략도를 도시한 도면이다.
도 4에는 인터넷을 통해 GNSS 및 IMU 데이터를 전송할 때 NTRIP 규약을 준용한 경우를 가정할 경우 광역 지표 변형 감시 체계에 대한 개략도가 도시되어 있다.
도 4에 도시된 NTRIP 서버가 기준국 및 감시국에 해당된다.
도 4를 참조하면, 각 NTRIP 서버는 NTRIP 캐스터로 GNSS 및 IMU 데이터를 전송하고, RTK 필터와 웹 서버는 측위 서버 내에 탑재되어 NTRIP caster에 접속해서 GNSS 및 IMU 데이터를 수집한 뒤 처리한다.
RTK 필터와 웹 서버는 상기에 기술한 알고리즘에 따라 좌표를 산출한 뒤 처리 결과를 DB에 저장하고 웹 서버를 통해 표출하는 것이 가능하다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (3)

  1. 개별 수신기에 의해 광역 지표 변형 감시를 수행하는 동안, GNSS 기준국 수신기의 위치가 일정 범위를 초과하여 변경되는지 확인하는 단계; 및
    GNSS 기준국 수신기의 위치가 일정 범위를 초과하여 변경되는 경우,
    상기 개별 수신기를, RTK 엔진을 갖춘 서버로 전환하여, 상기 서버에서 상기 광역 지표 변형 감시를 수행하도록 하는 단계
    를 포함하는 실시간 광역 지표변형 감시 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    감시국 수신기에서 GNSS와 IMU를 동시에 운영하여 GNSS-IMU 융합 기법에 의해 데이터의 출력 주기를 수백 Hz 이상으로 높이는 단계
    를 더 포함하는 실시간 광역 지표변형 감시 방법.
  3. GNSS 이용 광역 지표변형 산출 시, 기선거리 20 km 이상인 경우, 성능 저하 없이 좌표를 산출하기 위한 알고리즘.
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