WO2018143625A1 - 구조물의 정밀 계측 시스템 및 그 방법 - Google Patents

구조물의 정밀 계측 시스템 및 그 방법 Download PDF

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WO2018143625A1
WO2018143625A1 PCT/KR2018/001227 KR2018001227W WO2018143625A1 WO 2018143625 A1 WO2018143625 A1 WO 2018143625A1 KR 2018001227 W KR2018001227 W KR 2018001227W WO 2018143625 A1 WO2018143625 A1 WO 2018143625A1
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displacement
acceleration
response
data
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PCT/KR2018/001227
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English (en)
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권남열
강두영
박승범
김민재
문재민
강진석
손훈
김기영
구건희
최재묵
정준연
Original Assignee
주식회사 풍산에프앤에스
한국과학기술원
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0075—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by means of external apparatus, e.g. test benches or portable test systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0066—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by exciting or detecting vibration or acceleration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0041—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress

Definitions

  • the present invention relates to a precision measurement system and a method for precisely measuring the dynamic behavior of a structure including a high-rise building, a bridge, a dam, a harbor, and the like using a global positioning system (GPS) and an accelerometer.
  • GPS global positioning system
  • GPS is a global radio positioning system by satellites developed by the US Department of Defense and co-operated with the US Department of Transportation.
  • the GPS-based position measurement principle measures the radio wave arrival time from each GPS satellite to the GPS receiver by receiving a GPS receiver including the GPS antenna at the observation point and receiving radio waves from GPS satellites that know the exact position by the tracked track. By doing so, the spatial position can be obtained.
  • the most important factor in determining the distance from the GPS satellite is time. If the clock on the GPS satellite and the clock on the GPS receiver are exactly the same, the three-dimensional (X, Y, Z) position can be calculated only by the distance from the three GPS satellites.
  • GPS receivers are installed in structures such as high-rise buildings, bridges, dams, ports, etc. to continuously monitor the structure's behavior continuously to check the condition of the ground and the structure, and predict the breakdown. We can utilize for disaster prevention by.
  • the geodetic survey method using GPS of structures including high-rise buildings, bridges, dams, ports, etc. includes static positioning that acquires absolute coordinates of measurement points, and kinematic positioning that monitors the dynamic behavior of structures is generally performed. have.
  • static positioning In the case of performing static positioning on the structure measuring point, it is under the assumption that the point where the GPS antenna is not moved or the displacement is negligible even if the movement occurs due to low positioning accuracy.
  • kinematic positioning is performed at the structural measurement point, it is necessary to be able to measure the displacement due to the vibration or dynamic load occurring at the point where the GPS antenna is attached and process the result.
  • the present invention is to provide a precise measurement method of a structure and a system therefor that can accurately measure the dynamic behavior of structures, including high-rise buildings, bridges, dams, ports, etc. using GPS and accelerometers.
  • the present invention is to provide a precise measurement system and method of a structure that can be installed in a fixed position to accurately measure the dynamic characteristics of the structure, including acceleration, speed, displacement, angular displacement and the like.
  • the present invention can solve the problem of visual synchronization, integration and compatibility of the data by measuring the six degrees of freedom dynamic characteristics of the structure, including acceleration, speed, displacement, angular displacement, and the like in the low frequency response characteristics of the structure
  • the present invention aims to provide a precise measurement system and method for a structure that not only responds to low vibration of less than microG, but also constantly measures changes caused by temperature changes with or without wind and sunlight.
  • the precision measurement system of a structure includes a reference instrument, a plurality of response instruments, and arithmetic processor.
  • the reference measuring instrument is installed at a fixed position and provides GPS reference information received through the reference GPS module.
  • a plurality of response measuring instruments including an acceleration sensor and a response GPS module, are respectively installed at a plurality of positions of the structure, and are measured through the response GPS module using the acceleration information obtained through the acceleration sensor and the GPS reference information.
  • a plurality of RTK (Real Time Kinematic) displacement information is transmitted in time synchronization.
  • the operation processor calculates the structure response information using the transmitted acceleration information and the plurality of RTK displacement information.
  • the GPS reference information may include reference position data and reference time data.
  • the plurality of RTK displacement information may include dynamic displacement data and displacement time data corresponding to X, Y, and Z axes.
  • the response measuring instrument may acquire the acceleration information by measuring an X-axis component, a Y-axis component, and a Z-axis component of the structure through the acceleration sensor.
  • the acceleration information may include acceleration data corresponding to the X, Y, and Z axes, and angular displacement data corresponding to the XY plane, the YZ plane, and the ZX plane.
  • the response measuring instrument may generate the acceleration information and the plurality of RTK displacement information in one packet by time synchronizing with multiple sampling frequencies using the acceleration time data corresponding to the acceleration information and the displacement time data.
  • the response measuring instrument acquires the plurality of RTK displacement information corresponding to the installation location by using the satellite signal and the GPS reference information received through the response GPS module from a plurality of satellites. can do.
  • the response measuring instrument may assign displacement time information corresponding to each relative displacement data while measuring three-axis relative displacement of the satellite signal based on the GPS reference information.
  • the response measurer may assign acceleration time information corresponding to the acceleration information by using the GPS reference information.
  • the response measuring instrument may correct the acceleration information according to the temperature change by using temperature data of a temperature sensor that senses a temperature inside the measuring instrument.
  • the operation processor, the three-degree of freedom acceleration and three degrees of freedom angular displacement of the acceleration information and the three degrees of freedom dynamic displacement of the RTK displacement information 1 step Kalman filter and 2 step Kalman filter It can be calculated by using to eliminate the displacement error corresponding to the acceleration internal bias.
  • the operation processor may calculate a first displacement including the acceleration internal bias through the first stage Kalman filter.
  • the calculation processor calculates the displacement error from the calculated first displacement through the two-stage Kalman filter, and then removes the displacement error from the first displacement to the structure. Response information can be calculated.
  • the operation processor may compare and display the acceleration information, the plurality of RTK displacement information, and the structure response information.
  • a method of precisely measuring a structure comprising: providing reference GPS information in a reference instrument installed at a fixed position, and installing a plurality of structures at a plurality of positions of the structure, respectively. Acquiring acceleration information from an accelerometer using an acceleration sensor, measuring a plurality of RTK displacement information in the plurality of response instruments using the GPS reference information, and accelerating the acceleration information and the plurality of response instruments. And time-synchronizing and transmitting the plurality of RTK displacement information, and calculating the structure response information by receiving the transmitted acceleration information and the plurality of RTK displacement information in a calculation processor.
  • the GPS reference information may include reference position data and reference time data.
  • the plurality of RTK displacement information may include dynamic displacement data and displacement time data corresponding to X, Y, and Z axes.
  • the acceleration information may be obtained by measuring an X axis component, a Y axis component, and a Z axis component of the structure through the acceleration sensor.
  • the acceleration information may include acceleration data corresponding to the X, Y, and Z axes, and angular displacement data corresponding to the XY plane, the YZ plane, and the ZX plane.
  • the acceleration information and the plurality of RTK displacements may be time-synchronized by using the acceleration time data corresponding to the acceleration information and the displacement time data at multiple sampling frequencies.
  • Information can be generated in one packet.
  • each of the measuring of the plurality of RTK displacement information, the satellite signal received from a plurality of satellites via the response GPS module and the GPS reference information corresponding to the installation location corresponding to the A plurality of RTK displacement information can be obtained.
  • the measuring of the plurality of RTK displacement information, respectively, the displacement time corresponding to each relative displacement data while measuring the three-axis relative displacement of the satellite signal based on the GPS reference information You can give each piece of information.
  • the obtaining of the acceleration information may give acceleration time information corresponding to the acceleration information by using the GPS reference information.
  • the step of synchronizing and transmitting the acceleration information and the plurality of RTK displacement information, the acceleration information according to the temperature change using the temperature data of the temperature sensor for sensing the temperature inside the instrument After the correction is performed, the temperature data may be included and generated in one packet.
  • the step of calculating the structure response information, the three degrees of freedom acceleration and three degrees of freedom of the angular displacement of the acceleration information and the three degrees of freedom dynamic displacement of the RTK displacement information 1 step Kalman filter And a two-stage Kalman filter to remove the displacement error corresponding to the acceleration internal bias.
  • calculating the structure response information may calculate a first displacement including the acceleration internal bias through the first stage Kalman filter.
  • the calculating of the structure response information may include calculating the displacement error at the calculated first displacement through the two-stage Kalman filter, and then calculating the displacement error at the first displacement. By removing the structure response information can be calculated.
  • the precision measurement method of the structure after the step of calculating the structure response information, further comprising the step of comparing and displaying the acceleration information, a plurality of RTK displacement information and the structure response information can do.
  • the present invention can provide a precise measurement system and method of the structure that can accurately measure the dynamic behavior of the structure, including tall buildings, bridges, dams, ports, etc. using GPS and accelerometer.
  • the present invention is a reference instrument installed in a fixed position to provide the GPS reference information, a plurality of response measuring instruments respectively installed in a plurality of positions on the structure to measure displacement information corresponding to the installation position, and a plurality of responses
  • an operation processor that receives each displacement information from the measuring instrument through a communication network and calculates the structure response information, it is possible to accurately measure the dynamic characteristics of the structure including acceleration, speed, displacement, angular displacement, and the like.
  • the present invention can solve the problem of visual synchronization, integration and compatibility of the data by measuring the six degrees of freedom dynamic characteristics of the structure including acceleration, speed, displacement, angular displacement, and the like.
  • the precision measurement system according to the present invention not only responds to low vibration of several microG or less in the low frequency response characteristic of the structure, but also can constantly measure changes due to temperature changes according to the presence or absence of wind and sunlight. have.
  • FIG. 1 to 3 are views illustrating a precision measurement system of a structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 to 9 are views for explaining the operation processor provided in the precision measurement system of the structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a step-by-step flowchart showing a process of precisely measuring the dynamic behavior of the structure according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 to 3 is a view illustrating a precise measurement system of the structure according to an embodiment of the present invention
  • Figures 4 to 9 is a calculation processor provided in the precision measurement system of the structure according to an embodiment of the present invention It is a figure for demonstrating.
  • a precision measurement system of a structure includes a reference measuring instrument 110, a plurality of response measuring instruments 120, an operation processor 130, a communication network 140, and the like. can do.
  • the reference instrument 110 may be installed at a fixed position and provide GPS reference information received through the reference GPS module 112.
  • the reference instrument 110 may include a reference GPS module 112, a first communication module 114, and the like.
  • the reference instrument 110 receives the satellite signals from the plurality of satellites through the reference GPS module 112 to generate GPS reference information, and then transmits the GPS reference information to each of the response instruments 120 through the first communication module 114.
  • the GPS reference information may include reference position data, reference time data, and the like.
  • the plurality of response measuring instruments 120 may be installed at a plurality of positions of the structure, including the acceleration sensor 121 and the response GPS module 125.
  • the plurality of response measuring instruments 120 may transmit the plurality of RTK displacement information measured through the response GPS module 125 using the acceleration information acquired through the acceleration sensor 121 and the GPS reference information.
  • the plurality of response measuring instruments 120 may obtain acceleration information by measuring the X-axis component, the Y-axis component, and the Z-axis component of the structure through the acceleration sensor 121, and the GPS reference information (eg, reference Acceleration time information corresponding to the acceleration information can be provided using the time data).
  • the GPS reference information eg, reference Acceleration time information corresponding to the acceleration information can be provided using the time data.
  • the plurality of response measuring instruments 120 may obtain a plurality of RTK displacement information corresponding to the installation location using satellite signals and GPS reference information received through the response GPS module 125 from the plurality of satellites.
  • the plurality of response measuring instruments 120 measure the three-axis relative displacement of the satellite signal based on the GPS reference information (for example, reference position data, reference time data, etc.) while displacing time information corresponding to each relative displacement data. Can be given respectively.
  • the plurality of response measuring instruments 120 are time-synchronized by using the acceleration time information corresponding to the acceleration information and the displacement time information corresponding to the RTK displacement information, and then make a packet into an operation processor through the communication network 140 ( 130).
  • the acceleration information and the RTK displacement information may be synchronized to multiple sampling frequencies, and the time synchronization of the entire system may be performed by interworking with one reference measuring instrument 110.
  • the plurality of response measuring instruments 120 as described above are each an acceleration sensor 121, a temperature sensor 122, an AD converter 123, a data processor 124, a response GPS module 125, and a second communication module 126. ) May be included.
  • the acceleration sensor 121 may be a force feedback type sensor.
  • the acceleration sensor 121 may sense the X-axis component, the Y-axis component, and the Z-axis component of the installation position where the response measurer 120 is installed, and transmit the sensing signal to the AD converter 123.
  • the sensing signal may include acceleration data corresponding to the X-axis, Y-axis, and Z-axis, angular displacement data corresponding to the XY plane, the YZ plane, and the ZX plane.
  • the acceleration data includes X-axis acceleration data, Y-axis acceleration data, and Z-axis acceleration data between the first position corresponding to the first time and the second position corresponding to the second time after a predetermined time elapses from the installation position. can do.
  • the angular displacement data may include XY angular displacement data fluctuating along the XY plane about the first position, YZ angular displacement data fluctuating along the YZ plane, and ZX angular displacement data fluctuating along the ZX plane.
  • the acceleration sensor 121 may have a measurement frequency bandwidth of 0 Hz-100 Hz and a measurement resolution of approximately 1 ⁇ G for measuring a large structure.
  • the sensing signal may be converted from an analog signal to a digital signal at a sampling frequency of approximately 100 Hz by the AD converter 123.
  • the temperature sensor 122 may detect a temperature inside the measuring instrument and transmit the detected signal to the AD converter 123. Since the temperature sensor 122 has already been disclosed various sensors such as a contact type, a non-contact type, a detailed description thereof will be omitted.
  • the AD converter 123 may convert the analog sensing signal transmitted from the acceleration sensor 121 into a digital signal and transmit the converted digital signal to the data processor 124. In addition, the AD converter 123 may convert an analog sense signal transmitted from the temperature sensor 122 into a digital signal and transmit the converted digital signal to the data processor 124.
  • the data processor 124 may apply the acceleration time information to the acceleration information transmitted from the AD converter 124 using GPS reference information (eg, reference time data, etc.) transmitted through the second communication module 125. It can be given.
  • the data processor 124 may synchronize the acceleration information with multiple sampling frequencies along with a plurality of RTK displacement information transmitted from the response GPS module 125.
  • the data processor 124 provides acceleration information (e.g., acceleration data corresponding to the X-axis, Y-axis, and Z-axis, angular displacement data corresponding to the XY plane, the YZ plane, and the ZX plane, acceleration time data, and the like).
  • RTK displacement information for example, dynamic displacement data corresponding to the X-axis, Y-axis, and Z-axis, displacement time data, etc.
  • the data processor 124 synchronizes time in the manner as shown in FIG. 4 to the acceleration information and the RTK displacement information. Data can be fused.
  • the data processor 124 may correct the acceleration information according to the temperature change by using temperature data corresponding to the sensing signal transmitted from the AD converter 124. For example, since the value of the acceleration sensor 121 changes according to temperature change, temperature correction may be necessary. If only the acceleration sensor is measured by using a separate sensor measuring device, the output voltage may move up and down in the morning and afternoon. At this time, the data processor 124 may correct the acceleration information by calculating a correction value according to the temperature change.
  • the temperature data may be transmitted to the operation processor 130 through the second communication module 125 as additional instrument information.
  • the temperature data may be generated and transmitted in one packet together with the acceleration information and the plurality of RTK displacement information as described above.
  • the response GPS module 125 may receive satellite signals corresponding to its installation location from the plurality of satellites.
  • the response GPS module 125 uses a plurality of RTK displacement information (eg, X-axis, Y) corresponding to the installation location by using the GPS reference information and the received satellite signal transmitted through the second communication module 124. Dynamic displacement data corresponding to the axis and the Z-axis).
  • the response GPS module 125 may obtain a spatial coordinate with a precision of several cm according to a sampling frequency of approximately 10 Hz, and convert it into three degrees of freedom displacement.
  • the response GPS module 125 measures displacement relative to each relative displacement data while measuring three-axis relative displacement of the satellite signal based on GPS reference information (for example, reference position data and reference time data). (I.e., displacement time data), respectively.
  • GPS reference information for example, reference position data and reference time data
  • the plurality of RTK displacement information (eg, dynamic displacement data corresponding to the X, Y, and Z axes, displacement time data, etc.) may be transmitted to the data processor 124.
  • RTK displacement information of 10: 11: 12.5 seconds may be generated using position data of 10: 11: 12.5 seconds in reference GPS information and position data of 10: 11: 12.5 seconds in satellite signals.
  • the displacement generated by integrating acceleration is an integral of bias.
  • There is a cumulative error there is no cumulative error in the present invention. According to the present invention, since no cumulative error occurs, the origin correction effect can be obtained for the displacement made by the acceleration integration.
  • the acceleration information obtained through the acceleration sensor 121 as described above is provided as three degrees of freedom acceleration data of relatively high precision and high sampling frequency and three degrees of freedom angular displacement data of relatively low precision and high sample frequency.
  • the plurality of RTK displacement information obtained through the response GPS module 125 may be provided as three degrees of freedom dynamic displacement data of relatively low precision and low sampling frequency.
  • the calculation processor 130 may calculate the structure response information by using the transmitted acceleration information and the plurality of RTK displacement information.
  • the calculation processor 130 calculates the three degrees of freedom acceleration and three degrees of freedom angular displacement of the time-synchronized acceleration information and the three degrees of freedom dynamic displacement of the RTK displacement information through the first-stage Kalman filter and the two-stage Kalman filter to apply the internal acceleration of the acceleration By removing the corresponding displacement error, structure response information about the structure can be obtained.
  • the processor 130 may calculate the first displacement including the acceleration internal bias through the first stage Kalman filter, and calculate the displacement error from the first displacement calculated through the second stage Kalman filter. Thereafter, the displacement error may be removed from the first displacement to calculate the structure response information.
  • the acceleration information transmitted from the operation processor 130 and the plurality of RTK displacement information and the calculated structure response information may be displayed on a separate display device (not shown).
  • the operation processor 130 calculates the first displacement and the displacement error through the first-stage Kalman filter and the second-stage Kalman filter, and then removes the displacement error from the first displacement to obtain structure response information ( For example, acceleration data, velocity data, displacement data, angular displacement data, etc.) can be calculated.
  • structure response information For example, acceleration data, velocity data, displacement data, angular displacement data, etc.
  • the processing using the first stage Kalman filter and the second stage Kalman filter as described above will be described in more detail.
  • the first displacement including the acceleration internal bias may be calculated using the first stage Kalman filter. If the current time is (k-1) in the pre-processing process, the displacement data (x (k)) of the next time is obtained using the displacement data (x (k-1)) of the current time as shown in Equation 1 below. It can be predicted.
  • the statistical error Px (k) generated when the displacement data of the next time is predicted using the statistical error Px (k-1) of the current time displacement data may be calculated as shown in Equation 2 below. have.
  • correction weight K (k) is applied to the difference between the acceleration and displacement measurement data y (k) of the current time and the displacement data x (k) of the current time, and the displacement data x of the current time. It is possible to calculate the displacement data (x + (k)) of the current time corrected by correcting (k)) as shown in Equation 4 below.
  • the displacement error may be calculated from the first displacement calculated by the first-stage Kalman filter. If the current time is (k-1) in the preprocessing process, the acceleration internal bias (b (k)) of the next time is obtained by using the acceleration internal bias (b (k-1)) of the current time. You can predict it as well.
  • the acceleration internal bias influence coefficient correction amount S (k) of the next time can be predicted using Equation 6 below by using the acceleration internal bias influence coefficient V (k-1) of the current time.
  • the acceleration internal bias influence coefficient V (k-1) of the current time, the correction weight K (k) of Equation 3, and the correction amount S (k) of the acceleration internal bias influence coefficient of the next time can be predicted as shown in Equation 7 below.
  • the correction weight Kb (k) is applied to the difference between the measurement data y (k) of the current time and the acceleration internal bias b (k) of the current time, and the acceleration internal bias b of the current time.
  • the acceleration internal bias b + (k) of the current time corrected by correcting (k)) may be calculated as in Equation 9 below.
  • the acceleration internal bias influence coefficient V (k) of the current time as shown in Equation 7 is multiplied by the acceleration internal bias b + (k) of the corrected current time as shown in Equation 9, and the multiplied value.
  • Is combined with the corrected displacement data (x + (k)) obtained from the first stage Kalman filter as shown in Equation 4 to obtain displacement data obtained by correcting (removing) the error due to bias as shown in Equation 10 below. have.
  • the plurality of transmitted RTK displacement information and the calculated structure response information may be displayed on a separate display device (not shown).
  • a plurality of RTK displacement information ie, illustrated as GPS measurement displacements
  • acceleration information that is, illustrated as measurement acceleration
  • the operation processor 130 is structure response information calculated by fusing acceleration information and RTK displacement information through a first-stage Kalman filter and a second-stage Kalman filter (that is, illustrated as a Kalman filter result). Can be displayed separately.
  • the structure response information may be displayed by dividing each item corresponding to acceleration data, speed data, displacement data, and angular displacement data.
  • the twist angle of the filter used in the Kalman filter can be set as an input value.
  • the X-axis moves by covering the windows at intervals of 60 seconds, and the Y-axis may be set corresponding to the maximum amplitude inside the window.
  • the operation processor 130 may display GPS-related information (eg, GPS satellite number, mode information, and ambiguity constant information) regarding the state of the GPS data for each sensor. .
  • GPS-related information eg, GPS satellite number, mode information, and ambiguity constant information
  • a path for storing result data (ie, structure response information) derived through the Kalman filter may be set and stored.
  • 'true' in Save means save.
  • the operation processor 130 as described above may perform the individual Kalman filter operation in real time on each of the acceleration information and the RTK displacement information, and the structure response information (for example, acceleration data, Velocity data, displacement data, angular displacement data, etc.) can be visually displayed and stored.
  • the structure response information for example, acceleration data, Velocity data, displacement data, angular displacement data, etc.
  • each such precise displacement data is structure response information corresponding to the corresponding installation position.
  • the communication network 140 may include a wired communication network, a wireless communication network, and the like.
  • the communication network 140 may be in charge of data transmission and reception by providing a wired / wireless communication environment between the reference instrument 110, the plurality of response instruments 120, and the operation processor 130.
  • the present invention can provide a precise measurement system of a structure that can accurately measure the dynamic behavior of the structure including a high-rise building, bridges, dams, ports, and the like using a GPS and an accelerometer.
  • the precision measurement system of the structure is installed at a fixed position to provide a GPS reference information, and the displacement information corresponding to the installation position, respectively installed at a plurality of positions of the structure respectively measured Dynamic response of the structure including acceleration, velocity, displacement, angular displacement, etc. by including a plurality of response measuring instruments and an arithmetic processor that receives each displacement information from the plurality of response measuring instruments through a communication network and calculates structure response information. Can be precisely measured.
  • the precision measurement system of the structure can solve the problem of visual synchronization, integration and compatibility of the data by measuring the six degrees of freedom dynamic characteristics of the structure including acceleration, speed, displacement, angular displacement, etc. have.
  • the low frequency response of the structure responds to low vibration of several microG or less, and can be measured at all times due to changes in temperature depending on the presence of wind, sunlight, and the like.
  • GPS reference information is provided by a reference instrument installed at a fixed position in the precision measurement system of the structure having the above-described structure, and through an acceleration sensor in a plurality of response instruments respectively installed at a plurality of positions of the structure. It transmits the acquired acceleration information, transmits a plurality of RTK displacement information measured by each of the plurality of response measuring instruments using the GPS reference information, and receives the transmitted acceleration information and a plurality of RTK displacement information from the operation processor to receive the structure response information It describes the process of calculating the.
  • FIG. 10 is a step-by-step flowchart showing a process for precisely measuring the dynamic behavior of the structure according to another embodiment of the present invention.
  • the reference measuring instrument 110 receives satellite signals from a plurality of satellites through a reference GPS module 112 to generate GPS reference information, and then uses a plurality of response measuring instruments through the first communication module 114. 120 may transmit to each (step 1002).
  • the GPS reference information may include reference position data, reference time data, and the like.
  • the plurality of response measuring instruments 120 respectively installed at the plurality of positions of the structure sense the X-axis component, the Y-axis component, and the Z-axis component of the structure at the installation position through the acceleration sensor 121 to detect the sensing signal. It may be passed to the AD converter 123 (step 1002).
  • the sensing signal may include acceleration data corresponding to the X-axis, Y-axis, and Z-axis, angular displacement data corresponding to the XY plane, the YZ plane, and the ZX plane.
  • the acceleration data includes X-axis acceleration data, Y-axis acceleration data, and Z-axis acceleration data between the first position corresponding to the first time and the second position corresponding to the second time after a predetermined time elapses from the installation position. can do.
  • the angular displacement data may include XY angular displacement data fluctuating along the XY plane about the first position, YZ angular displacement data fluctuating along the YZ plane, and ZX angular displacement data fluctuating along the ZX plane.
  • the AD converter 123 converts the sensing signal transmitted from the acceleration sensor 121 into a digital signal and transmits the digital signal to the data processor 124.
  • the data processor 124 provides acceleration time information to the acceleration information transmitted from the AD converter 124 using GPS reference information (for example, reference time data, etc.) transmitted through the second communication module 125. Acceleration information (for example, acceleration data corresponding to X, Y and Z axes, angular displacement data corresponding to XY plane, YZ plane and ZX plane, acceleration time data, etc.) can be obtained (step) 1006).
  • the plurality of response measuring instruments 120 respectively installed in a plurality of locations of the structure receives a satellite signal corresponding to the installation position from the plurality of satellites through the response GPS module 125, the second communication module 124
  • a plurality of RTK displacement information e.g., dynamic displacement data corresponding to the X-axis, Y-axis, and Z-axis
  • the response GPS module 125 measures the three-axis relative displacement of the satellite signal based on the GPS reference information (for example, reference position data, reference time data, and the like) while displacing time information corresponding to each relative displacement data ( That is, a plurality of RTK displacement information (for example, dynamic displacement data corresponding to the X-axis, Y-axis and Z-axis, displacement time data, etc.) may be obtained by providing a displacement time data (step 1010). ). The plurality of RTK displacement information may be transferred to the data processor 124 for time synchronization.
  • the GPS reference information for example, reference position data, reference time data, and the like
  • displacing time information corresponding to each relative displacement data That is, a plurality of RTK displacement information (for example, dynamic displacement data corresponding to the X-axis, Y-axis and Z-axis, displacement time data, etc.) may be obtained by providing a displacement time data (step 1010). ).
  • the plurality of RTK displacement information may be
  • the data processor 124 synchronizes the acceleration information to which the acceleration time information is given and the plurality of RTK displacement information transmitted from the response GPS module 125 to multiple sampling frequencies, and the acceleration information (for example, the X axis, Acceleration data corresponding to Y and Z axes, angular displacement data corresponding to XY plane, YZ plane and ZX plane, acceleration time data, etc., and a plurality of RTK displacement information (e.g., X axis, Y axis, and Z axis) Dynamic displacement data, displacement time data, etc.) may be generated as one packet and transmitted to the operation processor 130 through the second communication module 125 (step 1012).
  • the acceleration information for example, the X axis, Acceleration data corresponding to Y and Z axes, angular displacement data corresponding to XY plane, YZ plane and ZX plane, acceleration time data, etc.
  • a plurality of RTK displacement information e.g., X axis, Y
  • the data processor 124 may correct the acceleration information according to the temperature change by using temperature data corresponding to the sensing signal sensed by the temperature sensor 122.
  • the data processor 124 may transmit the temperature data as one packet together with the acceleration information and the plurality of RTK displacement information to the operation processor 130.
  • the operation processor 130 may calculate the three degrees of freedom acceleration and the three degrees of freedom angular displacement and the three degrees of freedom dynamic displacement of the RTK displacement information from the plurality of response measuring instruments 120 in one packet.
  • the structure response information for the structure may be obtained by removing the displacement error corresponding to the acceleration internal bias by calculating through the step Kalman filter and the step Kalman filter (step 1014).
  • the first displacement including the acceleration internal bias may be calculated through the first stage Kalman filter, and after calculating the displacement error from the first displacement calculated through the second stage Kalman filter, the displacement error may be calculated from the first displacement.
  • the operation processor 130 as described above may compare and display the transmitted acceleration information, the plurality of RTK displacement information, and the calculated structure response information on a separate display device (step 1016).
  • a plurality of RTK displacement information i.e., shown as GPS measurement displacements
  • acceleration information i.e., shown as measurement accelerations
  • FIG. 6 as shown in FIG.
  • Structure response information as described above (i.e., shown as a Kalman filter result)
  • GPS related information as shown in FIG. 8 eg, GPS satellite number, mode information, ambiguous constant information, etc.
  • FIG. Such as setting a storage path as shown.
  • the present invention can provide a precise measurement method of a structure that can accurately measure the dynamic behavior of the structure, including a high-rise building, bridges, dams, ports, and the like using a GPS and an accelerometer.
  • the present invention is a reference instrument installed in a fixed position to provide the GPS reference information, a plurality of response measuring instruments respectively installed in a plurality of positions on the structure to measure displacement information corresponding to the installation position, and a plurality of responses
  • an operation processor that receives each displacement information from the measuring instrument through a communication network and calculates the structure response information, it is possible to accurately measure the dynamic characteristics of the structure including acceleration, speed, displacement, angular displacement, and the like.

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Abstract

구조물의 정밀 계측 시스템 및 그 방법이 개시된다. 고정된 위치에 설치되는 기준계측기가 GPS 기준정보를 제공한다. 구조물의 복수의 위치에 각각 설치되는 복수의 응답계측기에서 가속도 센서를 통해 가속도 정보를 획득한다. 복수의 응답계측기에서 GPS 기준정보를 이용하여 복수의 RTK 변위 정보를 각각 계측한다. 복수의 응답계측기에서 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 시간 동기화하여 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 하나의 패킷으로 생성하여 전송한다. 전송된 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 연산처리기에서 수신하여 구조물 응답 정보를 산출한다. GPS와 가속도계를 이용하여 고층빌딩, 교량, 댐, 항만 등을 포함하는 구조물의 동적거동을 정밀하게 계측할 수 있다.

Description

구조물의 정밀 계측 시스템 및 그 방법
본 발명은 GPS(Global Positioning System)와 가속도계를 이용하여 고층빌딩, 교량, 댐, 항만 등을 포함하는 구조물의 동적거동을 정밀하게 계측할 수 있는 구조물의 정밀 계측 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, GPS는 미 국방성이 개발하여 미 운수성과 공동 운용 관리하고 있는 인공위성에 의한 전 세계적인 전파 측위 시스템이다. GPS를 이용한 위치 측정 원리는 추적된 궤도에 의해서 정확한 위치를 알고 있는 GPS 위성들에서 발신하는 전파를 관측지점의 GPS 안테나를 포함한 GPS 수신기가 수신하여 각 GPS 위성에서 GPS 수신기까지의 전파 도달시간을 측정함으로써 공간적 위치를 구할 수 있다.
여기에서, GPS 위성과의 거리를 결정하는 가장 중요한 요소는 시간이다. GPS 위성에 탑재된 시계와 GPS 수신기의 시계가 정확히 일치하면, 3개의 GPS 위성과의 거리만으로 3차원적(X, Y, Z)의 위치를 계산할 수 있다.
이러한 GPS 위치 측정 원리는 사회의 다양한 분야에 사용되고 있다. 특히 고층빌딩, 교량, 댐, 항만 등의 구조물에 GPS 수신기를 설치하여 구조물의 거동을 지속적으로 정밀하게 모니터링하여 지반 및 구조물의 상태를 확인하고, 파괴를 예측함으로써, 지반 및 구조물의 상태 평가, 붕괴에 의한 재해 예방 등에 활용할 수 있다.
이에 대해 고층빌딩, 교량, 댐, 항만 등을 포함하는 구조물의 GPS를 이용한 측지 측량 방법으로는 계측점의 절대좌표를 획득하는 정적측위가 있으며, 구조물의 동적거동을 모니터링하는 키네매틱 측위가 일반적으로 행해지고 있다. 구조물 계측지점에 정적측위를 수행하는 경우, GPS 안테나를 부착한 지점이 움직이지 않는다거나, 움직임이 발생하더라도 요구되는 측위 정밀도가 낮아 그 변위를 무시할 수 있다는 가정 아래 진행된다. 구조물 계측지점에 키네매틱 측위를 수행하는 경우, GPS 안테나를 부착한 지점에 발생하는 진동이나 동적하중으로 인한 변위를 계측하여 그 결과를 처리할 수 있어야 한다.
상술한 바와 같이 고층빌딩, 교량, 댐, 항만 등을 포함하는 구조물의 동적거동에 대해 정밀하게 측정하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있는 실정이다. 이에 관련된 선행기술로는 한국공개특허 제10-2004-0030772호(2004.04.09.공개)와 한국등록특허 제10-1395695호(2014.05.09.등록) 등이 있다.
본 발명은 GPS와 가속도계를 이용하여 고층빌딩, 교량, 댐, 항만 등을 포함하는 구조물의 동적거동을 정밀하게 계측할 수 있는 구조물의 정밀 계측 방법 및 이를 위한 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 고정된 위치에 설치되어 가속도, 속도, 변위, 각변위 등을 포함하는 구조물의 동적특성을 정밀하게 계측할 수 있는 구조물의 정밀 계측 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
아울러, 본 발명은 가속도, 속도, 변위, 각변위 등을 포함하는 구조물의 6자유도 동적특성을 계측함으로써, 데이터의 시각동기화, 통합화 및 호환성 문제를 해결할 수 있고, 구조물이 갖는 저주파수 응답특성에서 수 마이크로G 이하의 저진동에 반응할 뿐만 아니라, 바람, 태양광 등의 유무에 따른 온도변화로 인한 변화를 상시적으로 측정할 수 있는 구조물의 정밀 계측 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 구조물의 정밀 계측 시스템은 기준계측기, 복수의 응답계측기, 그리고 연산처리기를 포함한다. 상기 기준계측기는 고정된 위치에 설치되며, 기준 GPS 모듈을 통해 수신된 GPS 기준정보를 제공한다. 복수의 응답계측기는, 가속도 센서 및 응답 GPS 모듈을 포함하여 구조물의 복수의 위치에 각각 설치되며, 상기 가속도 센서를 통해 획득된 가속도 정보와, 상기 GPS 기준정보를 이용하여 상기 응답 GPS 모듈을 통해 계측된 복수의 RTK(Real Time Kinematic: 실시간 이동측위) 변위 정보를 시간 동기화하여 전송한다. 상기 연산처리기는 상기 전송된 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 이용하여 구조물 응답 정보를 산출한다.
상기 GPS 기준정보는 기준 위치 데이터 및 기준 시간 데이터를 포함할 수 있다. 상기 복수의 RTK 변위 정보는 X축, Y축 및 Z축에 대응하는 동적 변위 데이터와 변위 시간 데이터를 포함할 수 있다. 상기 응답계측기는 상기 가속도 센서를 통해 상기 구조물에 대한 X축 성분, Y축 성분 및 Z축 성분을 계측하여 상기 가속도 정보를 획득할 수 있다. 상기 가속도 정보는 X축, Y축 및 Z축에 대응하는 가속도 데이터와, XY 평면, YZ 평면 및 ZX 평면에 대응하는 각변위 데이터를 포함할 수 있다. 상기 응답계측기는 상기 가속도 정보에 대응하는 가속도 시간 데이터와 상기 변위 시간 데이터를 이용하여 다중 샘플링 주파수로 시간 동기화하여 상기 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 하나의 패킷으로 생성할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 응답계측기는, 복수의 위성으로부터 상기 응답 GPS 모듈을 통해 수신된 위성신호와 상기 GPS 기준 정보를 이용하여 설치 위치에 대응하는 상기 복수의 RTK 변위 정보를 획득할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 응답계측기는, 상기 GPS 기준 정보를 기준으로 상기 위성신호의 3축 상대 변위를 측정하면서 각 상대 변위데이터에 대응하는 변위시간정보를 각각 부여할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 응답계측기는, 상기 GPS 기준 정보를 이용하여 상기 가속도 정보에 대응하는 가속도시간정보를 부여할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 응답계측기는, 계측기 내부의 온도를 감지하는 온도 센서의 온도 데이터를 이용하여 온도 변화에 따른 상기 가속도 정보의 보정을 수행할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 연산처리기는, 상기 가속도 정보의 3자유도 가속도 및 3자유도 각변위와 상기 RTK 변위 정보의 3자유도 동적변위를 1단계 칼만필터 및 2단계 칼만필터를 통해 연산하여 가속도 내부 바이어스에 대응하는 변위 오차를 제거할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 연산처리기는, 상기 1단계 칼만필터를 통해 상기 가속도 내부 바이어스가 포함된 제 1 변위를 산출할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 연산처리기는, 상기 2단계 칼만필터를 통해 상기 산출된 제 1 변위에서 상기 변위 오차를 산출한 후에, 상기 제 1 변위에서 상기 변위 오차를 제거하여 상기 구조물 응답 정보를 산출할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 연산처리기는, 상기 가속도 정보, 상기 복수의 RTK 변위 정보 및 상기 구조물 응답 정보를 비교하여 디스플레이할 수 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 구조물의 정밀 계측 방법은, 고정된 위치에 설치되는 기준계측기에서 GPS 기준정보를 제공하는 단계와, 구조물의 복수의 위치에 각각 설치되는 복수의 응답계측기에서 가속도 센서를 통해 가속도 정보를 획득하는 단계와, 상기 GPS 기준정보를 이용하여 상기 복수의 응답계측기에서 복수의 RTK 변위 정보를 각각 계측하는 단계와, 상기 복수의 응답계측기에서 상기 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 시간 동기화하여 전송하는 단계와, 상기 전송된 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 연산처리기에서 수신하여 구조물 응답 정보를 산출하는 단계를 포함한다.
상기 GPS 기준정보는 기준 위치 데이터 및 기준 시간 데이터를 포함할 수 있다. 상기 복수의 RTK 변위 정보는 X축, Y축 및 Z축에 대응하는 동적 변위 데이터와 변위 시간 데이터를 포함할 수 있다.
상기 가속도 정보를 획득하는 단계는, 상기 가속도 센서를 통해 상기 구조물에 대한 X축 성분, Y축 성분 및 Z축 성분을 계측하여 상기 가속도 정보를 획득할 수 있다. 여기서, 상기 가속도 정보는 X축, Y축 및 Z축에 대응하는 가속도 데이터와 XY 평면, YZ 평면 및 ZX 평면에 대응하는 각변위 데이터를 포함할 수 있다.
상기 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 시간 동기화하여 전송하는 단계는, 상기 가속도 정보에 대응하는 가속도 시간 데이터와 상기 변위 시간 데이터를 이용하여 다중 샘플링 주파수로 시간 동기화하여 상기 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 하나의 패킷으로 생성할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 RTK 변위 정보를 각각 계측하는 단계는, 복수의 위성으로부터 응답 GPS 모듈을 통해 수신된 위성신호와 상기 GPS 기준 정보를 이용하여 설치 위치에 대응하는 상기 복수의 RTK 변위 정보를 획득할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 복수의 RTK 변위 정보를 각각 계측하는 단계는, 상기 GPS 기준 정보를 기준으로 상기 위성신호의 3축 상대 변위를 측정하면서 각 상대 변위데이터에 대응하는 변위시간정보를 각각 부여할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 가속도 정보를 획득하는 단계는, 상기 GPS 기준 정보를 이용하여 상기 가속도 정보에 대응하는 가속도시간정보를 부여할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 시간 동기화하여 전송하는 단계는, 계측기 내부의 온도를 감지하는 온도 센서의 온도 데이터를 이용하여 온도 변화에 따른 상기 가속도 정보의 보정을 수행한 후, 상기 온도 데이터를 상기 하나의 패킷에 포함시켜 생성 및 전송할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 구조물 응답 정보를 산출하는 단계는, 상기 가속도 정보의 3자유도 가속도 및 3자유도 각변위와 상기 RTK 변위 정보의 3자유도 동적변위를 1단계 칼만필터 및 2단계 칼만필터를 통해 연산하여 가속도 내부 바이어스에 대응하는 변위 오차를 제거할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 구조물 응답 정보를 산출하는 단계는, 상기 1단계 칼만필터를 통해 상기 가속도 내부 바이어스가 포함된 제 1 변위를 산출할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 구조물 응답 정보를 산출하는 단계는, 상기 2단계 칼만필터를 통해 상기 산출된 제 1 변위에서 상기 변위 오차를 산출한 후에, 상기 제 1 변위에서 상기 변위 오차를 제거하여 상기 구조물 응답 정보를 산출할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 상기 구조물의 정밀 계측 방법은, 상기 구조물 응답 정보를 산출하는 단계 이후에, 상기 가속도 정보, 복수의 RTK 변위 정보와 구조물 응답 정보를 비교 디스플레이하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 GPS와 가속도계를 이용하여 고층빌딩, 교량, 댐, 항만 등을 포함하는 구조물의 동적거동을 정밀하게 계측할 수 있는 구조물의 정밀 계측 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 고정된 위치에 설치되어 GPS 기준정보를 제공하는 기준계측기와, 구조물에 복수의 위치에 각각 설치되어 설치 위치에 대응하는 변위 정보를 각각 계측하는 복수의 응답계측기와, 복수의 응답계측기로부터의 각 변위 정보를 통신망을 통해 제공받아 구조물 응답 정보를 산출하는 연산처리기를 포함함으로써, 가속도, 속도, 변위, 각변위 등을 포함하는 구조물의 동적특성을 정밀하게 계측할 수 있다.
아울러, 본 발명은 가속도, 속도, 변위, 각변위 등을 포함하는 구조물의 6자유도 동적특성을 계측함으로써, 데이터의 시각동기화, 통합화 및 호환성 문제를 해결할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 정밀 계측 시스템은 구조물이 갖는 저주파수 응답특성에서 수 마이크로G 이하의 저진동에 반응할 뿐만 아니라, 바람, 태양광 등의 유무에 따른 온도변화로 인한 변화를 상시적으로 측정할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 정밀 계측 시스템을 예시한 도면이고,
도 4 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 정밀 계측 시스템에 구비된 연산처리기를 설명하기 위한 도면이며,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라 구조물의 동적 거동을 정밀하게 계측하는 과정을 나타낸 단계별 흐름도이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 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 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 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 실시예에서의 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 정밀 계측 시스템을 예시한 도면이고, 도 4 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 정밀 계측 시스템에 구비된 연산처리기를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 정밀 계측 시스템은 기준계측기(110), 복수의 응답계측기(120), 연산처리기(130), 통신망(140) 등을 포함할 수 있다.
기준계측기(110)는 고정된 위치에 설치될 수 있고, 기준 GPS 모듈(112)을 통해 수신된 GPS 기준정보를 제공할 수 있다. 기준계측기(110)는 기준 GPS 모듈(112), 제 1 통신모듈(114) 등을 포함할 수 있다.
기준계측기(110)는 기준 GPS 모듈(112)을 통해 복수의 위성으로부터 위성신호를 수신하여 GPS 기준 정보를 생성한 후, 제 1 통신모듈(114)을 통해 복수의 응답계측기(120) 각각에 전송할 수 있다. 여기에서, GPS 기준 정보는 기준 위치 데이터, 기준 시간 데이터 등을 포함할 수 있다.
복수의 응답계측기(120)는 가속도 센서(121) 및 응답 GPS 모듈(125)을 포함하여 구조물의 복수의 위치에 각각 설치될 수 있다. 복수의 응답계측기(120)는 가속도 센서(121)를 통해 획득된 가속도 정보와, GPS 기준정보를 이용하여 응답 GPS 모듈(125)을 통해 계측된 복수의 RTK 변위 정보를 전송할 수 있다.
이러한 복수의 응답계측기(120)는 가속도 센서(121)를 통해 구조물에 대한 X축 성분, Y축 성분 및 Z축 성분을 계측하여 가속도 정보를 획득할 수 있고, GPS 기준 정보(예를 들면, 기준 시간 데이터 등)를 이용하여 가속도 정보에 대응하는 가속도시간정보를 부여할 수 있다.
또한, 복수의 응답계측기(120)는 복수의 위성으로부터 응답 GPS 모듈(125)을 통해 수신된 위성신호와 GPS 기준 정보를 이용하여 설치 위치에 대응하는 복수의 RTK 변위 정보를 획득할 수 있다. 또한, 복수의 응답계측기(120)는 GPS 기준 정보(예를 들면, 기준 위치 데이터, 기준 시간 데이터 등)를 기준으로 위성신호의 3축 상대 변위를 측정하면서 각 상대 변위데이터에 대응하는 변위시간정보를 각각 부여할 수 있다.
그리고, 복수의 응답계측기(120)는 가속도 정보에 대응하는 가속도시간정보와 RTK 변위 정보에 대응하는 변위시간정보를 이용하여 시간 동기화 한 후, 하나의 패킷으로 만들어 통신망(140)을 통해 연산처리기(130)로 전송할 수 있다.
복수의 응답계측기(120)에서는 가속도 정보와 RTK 변위 정보를 다중 샘플링 주파수로 동기화할 수 있으며, 하나의 기준계측기(110)와 연동되어 전체 시스템의 시간 동기화가 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같은 복수의 응답계측기(120)는 각각 가속도 센서(121), 온도 센서(122), AD변환기(123), 데이터처리기(124), 응답 GPS 모듈(125), 제 2 통신 모듈(126) 등을 포함할 수 있다.
여기에서, 가속도 센서(121)는 포스 피드백 타입(force feedback type)의 센서일 수 있다. 가속도 센서(121)는 응답계측기(120)가 설치된 설치 위치의 X축 성분, Y축 성분 및 Z축 성분을 센싱하여 그 센싱신호를 AD변환기(123)로 전달할 수 있다.
여기에서, 센싱신호는 X축, Y축 및 Z축에 대응하는 가속도 데이터, XY평면, YZ평면 및 ZX평면에 대응하는 각변위 데이터 등을 포함할 수 있다. 가속도 데이터는 설치 위치에서 제 1 시간에 대응하는 제 1 위치와 일정 시간 경과 후 제 2 시간에 대응하는 제 2 위치 사이의 X축 방향 가속도 데이터, Y축 방향 가속도 데이터 및 Z축 방향 가속도 데이터를 포함할 수 있다. 각변위 데이터는 제 1 위치를 중심으로 XY평면을 따라 변동하는 XY 각변위 데이터, YZ평면을 따라 변동하는 YZ 각변위 데이터 및 ZX평면을 따라 변동하는 ZX 각변위 데이터를 포함할 수 있다.
이러한 가속도 센서(121)는 대형 구조물 계측을 위해 0Hz - 100Hz의 계측 주파수대역폭 및 대략 1μG의 계측분해능을 가질 수 있다. 이러한 센싱신호는 AD변환기(123)에서 대략 100Hz의 샘플링 주파수로 하여 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환될 수 있다.
또한, 온도 센서(122)는 계측기 내부의 온도를 감지하여 그 감지신호를 AD변환기(123)로 전달할 수 있다. 이러한 온도 센서(122)는 접촉식 방식, 비접촉 방식 등과 같은 다양한 센서가 이미 공개되어 있으므로 그에 관한 구체적인 설명은 생략한다.
AD변환기(123)는 가속도 센서(121)로부터 전달되는 아날로그 센싱신호를 디지털신호로 변환하여 데이터처리기(124)로 전달할 수 있다. 또한, AD 변환기(123)는 온도 센서(122)로부터 전달되는 아날로그 감지신호를 디지털 신호로 변환하여 데이터처리기(124)로 전달할 수 있다.
그리고, 데이터처리기(124)는 제 2 통신모듈(125)을 통해 전달되는 GPS 기준 정보(예를 들면, 기준 시간 데이터 등)를 이용하여 AD변환기(124)로부터 전달되는 가속도 정보에 가속도시간정보를 부여할 수 있다. 데이터처리기(124)는 그 가속도 정보를 응답 GPS 모듈(125)로부터 전달되는 복수의 RTK 변위 정보와 함께 다중 샘플링 주파수로 동기화할 수 있다. 또한, 데이터처리기(124)는 그 가속도 정보(예를 들면, X축, Y축 및 Z축에 대응하는 가속도 데이터, XY평면, YZ평면 및 ZX평면에 대응하는 각변위 데이터, 가속도 시간 데이터 등) 및 복수의 RTK 변위 정보(예를 들면, X축, Y축 및 Z축에 대응하는 동적변위 데이터, 변위 시간 데이터 등)를 하나의 패킷으로 생성하여 제 2 통신모듈(125)을 통해 연산처리기(130)로 전송할 수 있다.
예를 들면, 가속도 정보의 샘플링 주파수가 100Hz이고, RTK 변위 정보의 샘플링 주파수가 10Hz인 경우, 데이터처리기(124)는 도 4에 도시한 바와 같은 방식으로 시간을 동기화하여 가속도 정보와 RTK 변위 정보에 대한 데이터를 융합시킬 수 있다.
또한, 데이터처리기(124)는, AD변환기(124)로부터 전달되는 감지신호에 대응하는 온도 데이터를 이용하여, 온도 변화에 따른 가속도 정보의 보정을 수행할 수 있다. 예를 들면, 가속도 센서(121)는 온도 변화에 따라 값이 변하기 때문에, 온도 보정이 필요하게 될 수 있다. 별도의 센서계측장비를 이용하여 가속도 센서만을 측정할 경우 출력전압이 오전과 오후가 상하로 움직일 수 있다. 이 때, 데이터처리기(124)는 온도 변화에 따른 보정값을 산출하여 가속도 정보를 보정할 수 있다.
이러한 온도 데이터는 추가적인 계측기 정보로서, 제 2 통신모듈(125)을 통해 연산처리기(130)로 전송될 수 있다. 온도 데이터는 상술한 바와 같은 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보와 함께 하나의 패킷으로 생성되어 전송될 수 있다.
한편, 응답 GPS 모듈(125)은 복수의 위성들로부터 자신의 설치 위치에 대응하는 위성신호를 수신할 수 있다. 또한, 응답 GPS 모듈(125)은 제 2 통신모듈(124)을 통해 전달되는 GPS 기준 정보와 수신된 위성신호를 이용하여 설치 위치에 대응하는 복수의 RTK 변위 정보(예를 들면, X축, Y축 및 Z축에 대응하는 동적변위 데이터 등)를 획득할 수 있다. 이러한 응답 GPS 모듈(125)은 대략 10Hz의 샘플링주파수에 따라 수 cm의 정밀도로 공간좌표를 취득하여 3자유도 변위로 환산할 수 있다.
즉, 응답 GPS 모듈(125)은 GPS 기준 정보(예를 들면, 기준 위치 데이터, 기준 시간 데이터 등)를 기준으로 하여 위성신호의 3축 상대 변위를 측정하면서 각 상대 변위데이터에 대응하는 변위시간정보(즉, 변위 시간 데이터)를 각각 부여할 수 있다. 이러한 복수의 RTK 변위 정보(예를 들면, X축, Y축 및 Z축에 대응하는 동적변위 데이터, 변위 시간 데이터 등)는 데이터처리기(124)에 전달될 수 있다.
예를 들면, 기준 GPS 정보에서 10시 11분 12.5초의 위치 데이터와 위성신호에서 10시 11분 12.5초의 위치 데이터를 이용하여 10시 11분 12.5초의 RTK 변위 정보를 생성할 수 있다.
상술한 바와 같은 복수의 RTK 변위 정보(예를 들면, X축, Y축 및 Z축에 대응하는 동적변위 데이터, 변위 시간 데이터 등)에 대해 설명하면, 가속도를 적분하여 만들어진 변위는 바이어스의 적분으로 누적되는 오차를 가지게 된다. 하지만, 본 발명에서는 누적되는 오차가 없다. 본 발명에 따르면, 누적 오차가 발생하지 않기 때문에, 가속도 적분으로 만들어진 변위를 대상으로 원점 보정 효과가 얻어질 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 가속도 센서(121)를 통해 획득되는 가속도 정보는 상대적으로 고정밀도 및 고샘플링 주파수의 3자유도 가속도 데이터와 상대적으로 저정밀도 및 고샘플주파수의 3자유도 각변위 데이터로 제공될 수 있고, 응답 GPS 모듈(125)를 통해 획득되는 복수의 RTK 변위 정보는 상대적으로 저정밀도 및 저샘플링 주파수의 3자유도 동적변위 데이터로 제공될 수 있다.
연산처리기(130)는 전송된 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 이용하여 구조물 응답 정보를 산출할 수 있다. 연산처리기(130)는 시간 동기화된 가속도 정보의 3자유도 가속도 및 3자유도 각변위와 RTK 변위 정보의 3자유도 동적변위를 1단계 칼만필터 및 2단계 칼만필터를 통해 연산하여 가속도 내부 바이어스에 대응하는 변위 오차를 제거함으로써, 구조물에 대한 구조물 응답 정보를 획득할 수 있다. 여기에서, 연산처리기(130)는 1단계 칼만필터를 통해 가속도 내부 바이어스가 포함된 제 1 변위를 산출할 수 있고, 2단계 칼만필터를 통해 산출된 제 1 변위에서 변위 오차를 산출할 수 있다. 그 후에, 제 1 변위에서 변위 오차를 제거하여 구조물 응답 정보를 산출할 수 있다.
이러한 연산처리기(130)에서 전송된 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보와 산출된 구조물 응답 정보는 별도의 디스플레이기기(도시 생략됨)에서 비교 디스플레이될 수 있다.
상술한 바와 같은 연산처리기(130)는 1단계 칼만필터와 2단계 칼만필터를 통해 상기 제 1 변위와 상기 변위 오차를 각각 산출한 후에, 상기 제 1 변위에서 상기 변위 오차를 제거하여 구조물 응답 정보(예를 들면, 가속도 데이터, 속도 데이터, 변위 데이터, 각변위 데이터 등)를 산출할 수 있다.
상술한 바와 같은 1단계 칼만필터 및 2단계 칼만필터를 이용한 처리 과정에 대해 더 상세히 설명한다. 1단계 칼만필터를 이용하여 가속도 내부 바이어스가 포함된 제 1 변위를 산출할 수 있다. 전 처리 과정에서 현재 시간이 (k-1)일 경우, 현재 시간의 변위 데이터(x(k-1))를 이용하여 다음 시간의 변위 데이터(x(k))를 아래의 수학식 1과 같이 예측할 수 있다.
Figure PCTKR2018001227-appb-M000001
그리고, 현재 시간의 변위 데이터가 갖는 통계적 오차(Px(k-1))를 이용하여 다음 시간의 변위 데이터를 예측할 경우 발생하는 통계적 오차(Px(k))를 아래의 수학식 2와 같이 계산할 수 있다.
Figure PCTKR2018001227-appb-M000002
한편, 후처리 과정에서 현재 시간이 (k)일 경우 현재 시간의 가속도 및 측정 데이터의 잡음(R(k))과 현재 시간의 통계적 오차(Px(k))를 이용하여 보정 가중치(K(k)를 아래의 수학식 3과 같이 계산할 수 있다.
Figure PCTKR2018001227-appb-M000003
또한, 현재 시간의 가속 및 변위 측정 데이터(y(k))와 현재 시간의 변위 데이터(x(k))의 차이에 보정 가중치(K(k))를 적용하고, 현재 시간의 변위 데이터(x(k))를 보정하여 보정된 현재 시간의 변위 데이터(x+(k))를 아래의 수학식 4와 같이 계산할 수 있다.
Figure PCTKR2018001227-appb-M000004
한편, 2단계 칼만필터를 이용하여 1단계 칼만필터를 통해 산출된 제 1 변위에서 변위 오차를 산출할 수 있다. 전 처리 과정에서 현재 시간이 (k-1)일 경우 현재 시간의 가속도 내부 바이어스(b(k-1))를 이용하여 다음 시간의 가속도 내부 바이어스(b(k))를 아래의 수학식 5와 같이 예측할 수 있다.
Figure PCTKR2018001227-appb-M000005
그리고, 현재 시간의 가속도 내부 바이어스 영향계수(V(k-1))를 이용하여 다음 시간의 가속도 내부 바이어스 영향계수 보정량(S(k))을 아래의 수학식 6과 같이 예측할 수 있다.
Figure PCTKR2018001227-appb-M000006
또한, 현재 시간의 가속도 내부 바이어스 영향계수(V(k-1)), 상기 수학식 3의 보정 가중치(K(k)) 및 다음 시간의 가속도 내부 바이어스 영향계수의 보정량(S(k))을 이용하여 다음 시간의 가속도 내부 바이어스 영향계수(V(k))를 아래의 수학식 7과 같이 예측할 수 있다.
Figure PCTKR2018001227-appb-M000007
한편, 후처리 과정에서 현재 시간이 (k)일 경우, 상기 수학식 2의 통계적 오차(Px(k))와 현재 시간의 가속도 내부 바이어스 영향계수의 보정량(S(k))을 이용하여 현재 시간의 가속도 내부 바이어스 보정 가중치(Kb(k))를 아래의 수학식 8과 같이 예측할 수 있다.
Figure PCTKR2018001227-appb-M000008
다음에, 현재 시간의 측정 데이터(y(k))와 현재 시간의 가속도 내부 바이어스(b(k))의 차이에 보정 가중치(Kb(k))를 적용하고, 현재 시간의 가속도 내부 바이어스(b(k))를 보정하여 보정된 현재 시간의 가속도 내부 바이어스(b+(k))를 아래의 수학식 9와 같이 계산할 수 있다.
Figure PCTKR2018001227-appb-M000009
이어서, 상기 수학식 7과 같은 현재 시간의 가속도 내부 바이어스 영향계수(V(k))를 상기 수학식 9와 같은 보정된 현재 시간의 가속도 내부 바이어스(b+(k))에 곱하고, 그 곱한 값을 상기 수학식 4와 같은 제1단계 칼만필터에서 구한 보정된 변위 데이터(x+(k))와 결합하여 바이어스로 인한 오차를 보정(제거)한 변위 데이터를 아래의 수학식 10과 같이 획득할 수 있다.
Figure PCTKR2018001227-appb-M000010
상술한 바와 같은 연산처리기(130)에서는 전송된 복수의 RTK 변위 정보와 산출된 구조물 응답 정보를 별도의 디스플레이기기(도시 생략됨)에서 비교 디스플레이 되게 할 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 복수의 응답계측기(120)로부터 각각 전송되는 복수의 RTK 변위 정보(즉, GPS 측정 변위로 도시됨)가 각각 디스플레이 될 수 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 복수의 응답계측기(120)로부터 각각 전송되는 가속도 정보(즉, 측정 가속도로 도시됨)가 각각 디스플레이 될 수 있다.
그리고, 연산처리기(130)는, 도 7에 도시한 바와 같이, 1단계 칼만필터 및 2단계 칼만필터를 통해 가속도 정보와 RTK 변위 정보를 융합하여 산출된 구조물 응답 정보(즉, 칼만필터 결과로 도시됨)를 각각 디스플레이 되게 할 수 있다. 여기에서, 구조물 응답 정보는 가속도 데이터, 속도 데이터, 변위 데이터 및 각변위 데이터에 대응하는 각 항목으로 구분하여 디스플레이 될 수 있다. 칼만필터에서 사용되는 필터의 틀어짐 각도는 입력값으로 설정될 수 있다.
상술한 바와 같은 도 5, 도 6 및 도 7에서 X축은 60초 간격으로 윈도우가 씌어져 이동하고, Y축은 윈도우 내부의 최대 진폭에 대응하여 설정될 수 있다.
또한, 연산처리기(130)는 도 8에 도시한 바와 같이 센세별로 GPS 데이터의 상태에 대한 GPS 관련 정보(예를 들면, GPS 위성수, 모드 정보, 모호정수 정보 등)를 각각 디스플레이 되게 할 수 있다. 또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 칼만필터를 통해 도출된 결과 데이터(즉, 구조물 응답 정보)를 저장하기 위한 경로를 설정 및 저장할 수 있다. 여기에서, Save의 'true'는 저장한다는 의미이다.
상술한 바와 같은 연산처리기(130)는 각각의 가속도 정보 및 RTK 변위 정보에 대해 실시간으로 개별적인 칼만필터 연산을 수행할 수 있고, 칼만필터 연산을 통해 도출되는 구조물 응답 정보(예를 들면, 가속도 데이터, 속도 데이터, 변위 데이터, 각변위 데이터 등)를 시각적으로 디스플레이 되게 하면서 저장할 수 있다.
예를 들면, 가속도 센서가 10개가 있을 경우, 10 세트(set)의 가속도 데이터와 변위 RTK 데이터가 전송되고, 10개의 칼만필터 알고리즘이 개별적으로 작동하여 10개의 정밀한 변위 데이터가 산출될 수 있다. 이러한 각각의 정밀 변위 데이터는 해당 설치 위치에 대응하는 구조물 응답 정보이다.
통신망(140)은 유선 통신망, 무선 통신망 등을 포함할 수 있다. 통신망(140)은 기준계측기(110), 복수의 응답계측기(120) 및 연산 처리기(130) 간의 유무선 통신 환경을 제공함으로써, 상호 간 데이터 송수신을 담당할 수 있다.
따라서, 본 발명은 GPS와 가속도계를 이용하여 고층빌딩, 교량, 댐, 항만 등을 포함하는 구조물의 동적거동을 정밀하게 계측할 수 있는 구조물의 정밀 계측 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 구조물의 정밀 계측 시스템은 고정된 위치에 설치되어 GPS 기준정보를 제공하는 기준계측기와, 구조물의 복수의 위치에 각각 설치되어 설치 위치에 대응하는 변위 정보를 각각 계측하는 복수의 응답계측기와, 복수의 응답계측기로부터의 각 변위 정보를 통신망을 통해 제공받아 구조물 응답 정보를 산출하는 연산처리기를 포함함으로써, 가속도, 속도, 변위, 각변위 등을 포함하는 구조물의 동적특성을 정밀하게 계측할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 구조물의 정밀 계측 시스템은 가속도, 속도, 변위, 각변위 등을 포함하는 구조물의 6자유도 동적특성을 계측함으로써, 데이터의 시각동기화, 통합화 및 호환성 문제를 해결할 수 있다. 또한, 구조물이 갖는 저주파수 응답특성에서 수 마이크로G 이하의 저진동에 반응할 뿐만 아니라, 바람, 태양광 등의 유무에 따른 온도변화로 인한 변화를 상시적으로 측정할 수 있다.
다음으로, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 구조물의 정밀 계측 시스템에서 고정된 위치에 설치되는 기준계측기에서 GPS 기준정보를 제공하고, 구조물의 복수의 위치에 각각 설치되는 복수의 응답계측기에서 가속도 센서를 통해 획득된 가속도 정보를 전송하며, GPS 기준정보를 이용하여 복수의 응답계측기에서 각각 계측된 복수의 RTK 변위 정보를 전송하고, 전송된 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 연산처리기에서 수신하여 구조물 응답 정보를 산출하는 과정에 대해 설명한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라 구조물의 동적거동을 정밀하게 계측하는 과정을 나타낸 단계별 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 기준계측기(110)는 복수의 위성으로부터 기준 GPS 모듈(112)을 통해 위성신호를 수신하여 GPS 기준 정보를 생성한 후, 제 1 통신모듈(114)을 통해 복수의 응답계측기(120) 각각에 전송할 수 있다(단계1002). 여기에서, GPS 기준 정보는 기준 위치 데이터, 기준 시간 데이터 등을 포함할 수 있다.
그리고, 구조물의 복수의 위치에 각각 설치되는 복수의 응답계측기(120)는 가속도 센서(121)를 통해 설치 위치에서 구조물에 대한 X축 성분, Y축 성분 및 Z축 성분을 센싱하여 그 센싱신호를 AD변환기(123)로 전달할 수 있다(단계1002). 여기에서, 센싱신호는 X축, Y축 및 Z축에 대응하는 가속도 데이터, XY평면, YZ평면 및 ZX평면에 대응하는 각변위 데이터 등을 포함할 수 있다. 가속도 데이터는 설치 위치에서 제 1 시간에 대응하는 제 1 위치와 일정 시간 경과 후 제 2 시간에 대응하는 제 2 위치 사이의 X축 방향 가속도 데이터, Y축 방향 가속도 데이터 및 Z축 방향 가속도 데이터를 포함할 수 있다. 각변위 데이터는 제 1 위치를 중심으로 XY평면을 따라 변동하는 XY 각변위 데이터, YZ평면을 따라 변동하는 YZ 각변위 데이터 및 ZX평면을 따라 변동하는 ZX 각변위 데이터를 포함할 수 있다.
또한, AD변환기(123)는 가속도 센서(121)로부터 전달되는 센싱신호를 디지털신호로 변환하여 데이터처리기(124)로 전달한다. 데이터처리기(124)는 제 2 통신모듈(125)을 통해 전달되는 GPS 기준 정보(예를 들면, 기준 시간 데이터 등)를 이용하여 AD변환기(124)로부터 전달되는 가속도 정보에 가속도시간정보를 부여하는 방식으로 가속도 정보(예를 들면, X축, Y축 및 Z축에 대응하는 가속도 데이터, XY평면, YZ평면 및 ZX평면에 대응하는 각변위 데이터, 가속도 시간 데이터 등)를 획득할 수 있다(단계1006).
한편, 구조물의 복수의 위치에 각각 설치되는 복수의 응답계측기(120)는 복수의 위성으로부터 응답 GPS 모듈(125)을 통해 해당 설치 위치에 대응하는 위성신호를 수신하고, 제 2 통신모듈(124)을 통해 전달되는 GPS 기준 정보와 수신된 위성신호를 이용하여 설치 위치에 대응하는 복수의 RTK 변위 정보(예를 들면, X축, Y축 및 Z축에 대응하는 동적변위 데이터 등)를 계측할 수 있다(단계1008).
또한, 응답 GPS 모듈(125)은 GPS 기준 정보(예를 들면, 기준 위치 데이터, 기준 시간 데이터 등)를 기준으로 위성신호의 3축 상대 변위를 측정하면서 각 상대 변위데이터에 대응하는 변위시간정보(즉, 변위 시간 데이터)를 각각 부여하는 방식으로 복수의 RTK 변위 정보(예를 들면, X축, Y축 및 Z축에 대응하는 동적변위 데이터, 변위 시간 데이터 등)를 획득할 수 있다(단계1010). 이러한 복수의 RTK 변위 정보는 시간 동기화를 위해 데이터처리기(124)로 전달될 수 있다.
다음에, 데이터처리기(124)는 가속도시간정보가 부여된 가속도 정보와 응답 GPS 모듈(125)로부터 전달되는 복수의 RTK 변위 정보를 다중 샘플링 주파수로 동기화하며, 가속도 정보(예를 들면, X축, Y축 및 Z축에 대응하는 가속도 데이터, XY평면, YZ평면 및 ZX평면에 대응하는 각변위 데이터, 가속도 시간 데이터 등) 및 복수의 RTK 변위 정보(예를 들면, X축, Y축 및 Z축에 대응하는 동적변위 데이터, 변위 시간 데이터 등)를 하나의 패킷으로 생성하여 제 2 통신모듈(125)을 통해 연산처리기(130)로 전송할 수 있다(단계1012).
여기에서, 데이터처리기(124)는 온도 센서(122)를 통해 센싱된 감지신호에 대응하는 온도 데이터를 이용하여 온도 변화에 따른 가속도 정보의 보정을 수행할 수 있다. 또한 데이터처리기(124)는 이러한 온도 데이터를 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보와 함께 하나의 패킷으로 하여 연산처리기(130)로 전송할 수 있다.
그리고, 연산처리기(130)는 복수의 응답계측기(120)로부터 각각 하나의 패킷으로 생성 및 전송된 가속도 정보의 3자유도 가속도 및 3자유도 각변위와 RTK 변위 정보의 3자유도 동적변위를 1단계 칼만필터 및 2단계 칼만필터를 통해 연산하여 가속도 내부 바이어스에 대응하는 변위 오차를 제거함으로써, 구조물에 대한 구조물 응답 정보를 획득할 수 있다(단계1014). 여기에서, 1단계 칼만필터를 통해 가속도 내부 바이어스가 포함된 제 1 변위를 산출할 수 있고, 2단계 칼만필터를 통해 산출된 제 1 변위에서 변위 오차를 산출한 후에, 제 1 변위에서 변위 오차를 제거하여 구조물 응답 정보를 산출할 수 있다.
상술한 바와 같은 연산처리기(130)는 전송된 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보와 산출된 구조물 응답 정보를 별도의 디스플레이기기에서 비교 디스플레이되게 할 수 있다(단계1016). 예를 들면, 도 5에 도시한 바와 같은 복수의 RTK 변위 정보(즉, GPS 측정 변위로 도시됨), 도 6에 도시한 바와 같은 가속도 정보(즉, 측정 가속도로 도시됨), 도 7에 도시한 바와 같은 구조물 응답 정보(즉, 칼만필터 결과로 도시됨), 도 8에 도시한 바와 같은 GPS 관련 정보(예를 들면, GPS 위성수, 모드 정보, 모호정수 정보 등), 도 9에 도시한 바와 같은 저장 경로를 설정 등을 디스플레이할 수 있다.
따라서, 본 발명은 GPS와 가속도계를 이용하여 고층빌딩, 교량, 댐, 항만 등을 포함하는 구조물의 동적거동을 정밀하게 계측할 수 있는 구조물의 정밀 계측 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 고정된 위치에 설치되어 GPS 기준정보를 제공하는 기준계측기와, 구조물에 복수의 위치에 각각 설치되어 설치 위치에 대응하는 변위 정보를 각각 계측하는 복수의 응답계측기와, 복수의 응답계측기로부터의 각 변위 정보를 통신망을 통해 제공받아 구조물 응답 정보를 산출하는 연산처리기를 포함함으로써, 가속도, 속도, 변위, 각변위 등을 포함하는 구조물의 동적특성을 정밀하게 계측할 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 고정된 위치에 설치되며, 기준 GPS 모듈을 통해 수신된 GPS 기준정보를 제공하는 기준계측기와,
    가속도 센서 및 응답 GPS 모듈을 포함하여 구조물의 복수의 위치에 각각 설치되며, 상기 가속도 센서를 통해 획득된 가속도 정보와, 상기 GPS 기준정보를 이용하여 상기 응답 GPS 모듈을 통해 계측된 복수의 RTK 변위 정보를 시간 동기화하여 전송하는 복수의 응답계측기와,
    상기 전송된 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 이용하여 구조물 응답 정보를 산출하는 연산처리기를 포함하며,
    상기 GPS 기준정보는, 기준 위치 데이터 및 기준 시간 데이터를 포함하고,
    상기 복수의 RTK 변위 정보는, X축, Y축 및 Z축에 대응하는 동적 변위 데이터와 변위 시간 데이터를 포함하며,
    상기 응답계측기는, 상기 가속도 센서를 통해 상기 구조물에 대한 X축 성분, Y축 성분 및 Z축 성분을 계측하여 상기 가속도 정보를 획득하되, 상기 가속도 정보는 X축, Y축 및 Z축에 대응하는 가속도 데이터와 XY 평면, YZ 평면 및 ZX 평면에 대응하는 각변위 데이터를 포함하고, 상기 가속도 정보에 대응하는 가속도 시간 데이터와 상기 변위 시간 데이터를 이용하여 다중 샘플링 주파수로 시간 동기화하여 상기 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 하나의 패킷으로 생성하는 구조물의 정밀 계측 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 응답계측기는, 복수의 위성으로부터 상기 응답 GPS 모듈을 통해 수신된 위성신호와 상기 GPS 기준 정보를 이용하여 설치 위치에 대응하는 상기 복수의 RTK 변위 정보를 획득하는 구조물의 정밀 계측 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 응답계측기는, 상기 GPS 기준 정보를 기준으로 상기 위성신호의 3축 상대 변위를 측정하면서 각 상대 변위데이터에 대응하는 변위시간정보를 각각 부여하는 구조물의 정밀 계측 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 응답계측기는, 상기 GPS 기준 정보를 이용하여 상기 가속도 정보에 대응하는 가속도시간정보를 부여하는 구조물의 정밀 계측 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 응답계측기는, 계측기 내부의 온도를 감지하는 온도 센서의 온도 데이터를 이용하여 온도 변화에 따른 상기 가속도 정보의 보정을 수행하는 구조물의 정밀 계측 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 연산처리기는, 상기 가속도 정보의 3자유도 가속도 및 3자유도 각변위와 상기 RTK 변위 정보의 3자유도 동적변위를 1단계 칼만필터 및 2단계 칼만필터를 통해 연산하여 가속도 내부 바이어스에 대응하는 변위 오차를 제거하는 구조물의 정밀 계측 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 연산처리기는, 상기 1단계 칼만필터를 통해 상기 가속도 내부 바이어스가 포함된 제 1 변위를 산출하는 구조물의 정밀 계측 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 연산처리기는, 상기 2단계 칼만필터를 통해 상기 산출된 제 1 변위에서 상기 변위 오차를 산출한 후에, 상기 제 1 변위에서 상기 변위 오차를 제거하여 상기 구조물 응답 정보를 산출하는 구조물의 정밀 계측 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 연산처리기는, 상기 가속도 정보, 복수의 RTK 변위 정보 및 구조물 응답 정보를 비교 디스플레이하는 구조물의 정밀 계측 시스템.
  10. 고정된 위치에 설치되는 기준계측기에서 GPS 기준정보를 제공하는 단계와,
    구조물의 복수의 위치에 각각 설치되는 복수의 응답계측기에서 가속도 센서를 통해 가속도 정보를 획득하는 단계와,
    상기 GPS 기준정보를 이용하여 상기 복수의 응답계측기에서 복수의 RTK 변위 정보를 각각 계측하는 단계와,
    상기 복수의 응답계측기에서 상기 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 시간 동기화하여 전송하는 단계와,
    상기 전송된 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 연산처리기에서 수신하여 구조물 응답 정보를 산출하는 단계를 포함하며,
    상기 GPS 기준정보는, 기준 위치 데이터 및 기준 시간 데이터를 포함하고,
    상기 복수의 RTK 변위 정보는, X축, Y축 및 Z축에 대응하는 동적 변위 데이터와 변위 시간 데이터를 포함하며,
    상기 가속도 정보를 획득하는 단계는, 상기 가속도 센서를 통해 상기 구조물에 대한 X축 성분, Y축 성분 및 Z축 성분을 계측하여 상기 가속도 정보를 획득하되, 상기 가속도 정보는 X축, Y축 및 Z축에 대응하는 가속도 데이터와 XY 평면, YZ 평면 및 ZX 평면에 대응하는 각변위 데이터를 포함하고,
    상기 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 시간 동기화하여 전송하는 단계는, 상기 가속도 정보에 대응하는 가속도 시간 데이터와 상기 변위 시간 데이터를 이용하여 다중 샘플링 주파수로 시간 동기화하여 상기 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 하나의 패킷으로 생성하는 구조물의 정밀 계측 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 복수의 RTK 변위 정보를 각각 계측하는 단계는, 복수의 위성으로부터 응답 GPS 모듈을 통해 수신된 위성신호와 상기 GPS 기준 정보를 이용하여 설치 위치에 대응하는 상기 복수의 RTK 변위 정보를 획득하는 구조물의 정밀 계측 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 복수의 RTK 변위 정보를 각각 계측하는 단계는, 상기 GPS 기준 정보를 기준으로 상기 위성신호의 3축 상대 변위를 측정하면서 각 상대 변위데이터에 대응하는 변위시간정보를 각각 부여하는 구조물의 정밀 계측 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 가속도 정보를 획득하는 단계는, 상기 GPS 기준 정보를 이용하여 상기 가속도 정보에 대응하는 가속도시간정보를 부여하는 구조물의 정밀 계측 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 가속도 정보 및 복수의 RTK 변위 정보를 시간 동기화하여 전송하는 단계는, 계측기 내부의 온도를 감지하는 온도 센서의 온도 데이터를 이용하여 온도 변화에 따른 상기 가속도 정보의 보정을 수행한 후, 상기 온도 데이터를 상기 하나의 패킷에 포함시켜 생성 및 전송하는 구조물의 정밀 계측 방법.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 구조물 응답 정보를 산출하는 단계는, 상기 가속도 정보의 3자유도 가속도 및 3자유도 각변위와 상기 RTK 변위 정보의 3자유도 동적변위를 1단계 칼만필터 및 2단계 칼만필터를 통해 연산하여 가속도 내부 바이어스에 대응하는 변위 오차를 제거하는 구조물의 정밀 계측 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 구조물 응답 정보를 산출하는 단계는, 상기 1단계 칼만필터를 통해 상기 가속도 내부 바이어스가 포함된 제 1 변위를 산출하는 구조물의 정밀 계측 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 구조물 응답 정보를 산출하는 단계는, 상기 2단계 칼만필터를 통해 상기 산출된 제 1 변위에서 상기 변위 오차를 산출한 후에, 상기 제 1 변위에서 상기 변위 오차를 제거하여 상기 구조물 응답 정보를 산출하는 구조물의 정밀 계측 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 구조물의 정밀 계측 방법은, 상기 구조물 응답 정보를 산출하는 단계 이후에, 상기 가속도 정보, 복수의 RTK 변위 정보 및 구조물 응답 정보를 비교 디스플레이하는 단계를 더 포함하는 구조물의 정밀 계측 방법.
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