KR101015039B1 - 수중 위치 파악 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 수중 위치 파악 시스템은, 수중에서 낙하하도록 제작되며, GPS 안테나, GPS 수신기, 메모리를 구비하고, GPS 신호를 수신하여 위치 정보를 상기 메모리에 저장하며, 상기 저장된 위치 정보를 송신하기 위한 음파 송수신기를 구비하는 수중 위치 태그; 및 수중 이동체에 구비되며, 상기 수중 위치 태그가 수신 가능한 음파 신호를 송신하고 상기 위치 정보를 수신하기 위한 음파 송수신기와 상기 수중 위치 태그로부터 수신한 위치 정보를 이용하여 상기 수중 이동체의 위치를 계산하는 위치 계산부를 구비하는 위치 파악 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수중 위치 파악 시스템 및 그 방법{Underwater position finding system and method}
본 발명은 수중 위치 파악 시스템 및 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 수중 위치 태그를 이용하여 수중 이동체의 위치를 파악하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
잠수함 등 수중 이동체의 위치를 파악함에 있어서, GPS(Global Positioning System) 신호를 수신할 수 없는 수중에서는 IMU(inertial measurement unit), 지자기 센서, 음향 센서 등 제한된 항법 센서를 사용할 수 밖에 없으며, 수면 위로 부상하여 GPS 신호를 수신하지 않는 이상 운용 시간에 따라 위치 오차가 급격하게 증가한다.
관성 항법은 광선 센서인 자이로, 가속도계를 이용하며 3차원 위치 계산이 가능하지만 고가이고 위치 계산이 복잡하며 위치 오차가 누적된다.
무선 항법은 GPS, GLONASS(Global Orbiting Navigational Satellite System), 갈릴레오 등 위상을 이용하는 방법과 지상 무선 기지국을 이용하는 방식이 있으며 매우 정확한 위치를 계산할 수 있으나 수중에서는 전파를 수신할 수 없으므로 수중에서 적용할 수 없다.
수중 음향 항법은 트랜스듀서 어레이(transducer array)를 사용하는 SBL(short base line), SSBL(super-short base line), USBL(ultra-short base line), LBL(long base line) 등의 음향 항법이 있으나, 이들은 부피가 크고 고가이며 설치가 용이하지 않다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수중 위치 태그를 이용하여 간단하고 소형, 저가이면서도 비교적 정확하게 수중 이동체의 위치를 파악할 수 있는 수중 위치 파악 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 수중 위치 파악 시스템은, 수중에서 낙하하도록 제작되며, GPS 안테나, GPS 수신기, 메모리를 구비하고, GPS 신호를 수신하여 위치 정보를 상기 메모리에 저장하며, 상기 저장된 위치 정보를 송신하기 위한 음파 송수신기를 구비하는 수중 위치 태그; 및 수중 이동체에 구비되며, 상기 수중 위치 태그가 수신 가능한 음파 신호를 송신하고 상기 위치 정보를 수신하기 위한 음파 송수신기와 상기 수중 위치 태그로부터 수신한 위치 정보를 이용하여 상기 수중 이동체의 위치를 계산하는 위치 계산부를 구비하는 위치 파악 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 수중 위치 태그는 상기 위치 파악 장치로부터 상기 음파 신호가 수신되는 경우 상기 저장된 위치 정보를 송신하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수중 위치 태그는 상기 GPS 수신기와 상기 음파 송수신기에 전원을 공급하기 위한 배터리를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수중 위치 태그는 수중에서 자유 낙하할 수 있도록 무게를 제공하는 무게추를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수중 위치 태그는 공중에서 일정 간격으로 지속적으로 GPS 신호를 수신하여 위치 정보를 상기 메모리에 저장하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수중 이동체의 상기 위치 계산부는 적어도 하나의 상기 수중 위치 태그로부터 위치 정보가 수신되는 경우 상기 위치 정보와 TOA 및 AOA를 이용하여 상기 수중 이동체의 위치를 계산하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수중 이동체의 상기 위치 계산부는 적어도 네 개의 상기 수중 위치 태그로부터 위치 정보가 수신되는 경우 삼각측량법을 이용하여 상기 수중 이동체의 위치를 계산하는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 수중 이동체의 수중 위치 파악 방법은, (a) GPS 안테나, GPS 수신기, 메모리를 구비하는 수중 위치 태그가 공중에서 GPS 신호를 수신하여 획득된 위치 정보를 상기 메모리에 저장하는 단계; (b) 상기 수중 위치 태그가 입수하여 수중에서 자유 낙하하는 단계; (c) 수중 이동체가 상기 수중 위치 태그가 수신 가능한 음파 신호를 송신하는 단계; (d) 상기 수중 위치 태그는 상기 음파 신호가 수신되면 상기 메모리에 저장된 위치 정보를 송신하는 단계; 및 (e) 상기 수중 이동체는 상기 수중 위치 태그로부터 상기 위치 정보가 수신되면 상기 위치 정보를 이용하여 상기 수중 이동체의 위치를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (a) 단계는 상기 수중 위치 태그가 공중에서 일정 간격으로 지속적으로 GPS 신호를 수신하여 획득된 위치 정보를 상기 메모리에 저장하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (e) 단계는 적어도 하나의 상기 수중 위치 태그로부터 상기 위치 정보가 수신되는 경우 상기 위치 정보와 TOA 및 AOA를 이용하여 상기 수중 이동체의 위치를 계산하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (e) 단계는 적어도 네 개의 상기 수중 위치 태그로부터 상기 위치 정보가 수신되는 경우 삼각측량법을 이용하여 상기 수중 이동체의 위치를 계산하는 것이 바람직하다.
상기된 본 발명에 의하면, 수중 위치 태그를 이용하여 간단하고 소형, 저가이면서도 비교적 정확하게 수중 이동체의 위치를 파악할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 위치 파악 시스템 및 방법을 위한 수중 위치 태그의 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 위치 파악 시스템 및 방법을 위하여 수중 이동체에 마련되는 위치 파악 장치(200)의 구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 위치 파악 시스템의 운용도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 위치 파악 방법의 흐름도이다.
도 5는 네 개의 수중 위치 태그(100)가 위치 정보를 송신한 경우에 삼각측량법을 이용하여 수중 이동체의 위치를 정하는 방법의 개념도를 나타낸다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 위치 파악 시스템 및 방법을 위한 수중 위치 태그의 구조를 나타낸다.
본 실시예에 따른 수중 위치 태그(100)는 도시된 바와 같이, GPS 위성으로부터 GPS 신호를 수신하여 위치 정보를 계산하기 위한 GPS 안테나(110)와 GPS 수신기(120), 위치 정보를 저장하기 위한 위치 저장 메모리(130), 저장된 위치 정보를 송신하기 위한 음파 송수신기(140), GPS 수신기(120)와 음파 송수신기(140)에 전원을 공급하기 위한 배터리(150), 및 수중 위치 태그(100)가 수중에서 낙하할 수 있도록 하는 무게추(160)를 포함하여 이루어진다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 위치 파악 시스템 및 방법을 위하여 수중 이동체에 마련되는 위치 파악 장치의 구조를 나타낸다.
본 실시예에 따른 위치 파악 장치(200)는 도시된 바와 같이, 수중 위치 태그(100)로부터 얻어진 위치 정보로부터 수중 이동체의 위치를 계산하는 위치 계산부(210) 및 수중 위치 태그(100)가 수신 가능한 음파를 송신하고, 수중 위치 태그(100)로부터 위치 정보가 담긴 음파를 수신하기 위한 음파 송수신기(220)를 포함하여 이루어진다.
이하, 도 3 및 도 4를 더욱 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 위치 파악 시스템 및 방법을 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 위치 파악 시스템의 운용도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 위치 파악 방법의 흐름도이다.
수중 위치 태그(100)는 도 3에서 도시된 바와 같이 항공기(20)에서 발사 또는 낙하되거나, 선박(30)에서 발사되는 등의 방식으로 공중으로 방사된다(410단계). 그러면 수중 위치 태그(100)는 공기 중에서 일정 고도로부터 자유 낙하하게 된다. 수중 위치 태그(100)는 구비된 GPS 안테나(110)와 GPS 수신기(120)를 이용하여 GPS 위성(10)으로부터 GPS 신호를 수신하고 위치 정보를 계산하여 위치 저장 메모리(130)에 저장한다(420단계). GPS 신호의 수신과 위치 정보의 계산 및 저장은 자유 낙하 도중에 일정 간격으로 지속적으로 이루어진다. 수중에서는 GPS 신호가 수신되지 않으므로, 위치 저장 메모리(130)에는 수중 위치 태그(100)가 수중에 입수하기 직전(A)의 위치 정보가 저장된다(430단계).
수중 위치 태그(100)는 수중에 투입되었을 때 수중에서 낙하하도록 제작된다. 이를 위하여 무게추(160)가 구비된다. 무게추(160)는 수중 위치 태그(100)가 수중에서 자유 낙하할 수 있도록 적당한 무게를 가지는 금속성 재료로 구현될 수 있다. 수중 위치 태그(100)는 무게추(160)의 무게로 인하여 수중에서 낙하하고, 수중에 매설된다(440단계). 무게추(160)가 충분히 무거우면, 심한 조류가 없는 한 수중 위치 태그(100)는 수중에서 수직에 가깝게 자유낙하하게 되고, 따라서 수중에 입수하기 직전에 위치 저장 메모리(130)에 저장된 위치 정보는 수중에 매설되더라도 유효한 위치 정보가 된다.
수중 위치 태그(100)가 원하는 해역에 충분한 수량으로 매설되면, 이하와 같은 방법으로 수중 이동체의 위치를 파악할 수 있다. 수중 위치 태그(100)의 매설 범위와 수량은 파악하고자 하는 위치의 정확도에 따라서 적절하게 선정될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 위치 파악 장치(200)를 구비한 수중 이동체는 수중 위치 태그(100)가 수신 가능한 음파 신호를 송신한다(450단계). 상기 음파 신호는 위치 파악 장치(200)와 수중 위치 태그(100) 간에 미리 규약된 신호일 수 있다.
수중 위치 태그(100)에서 상기 음파가 수신되면(460단계), 수중 위치 태그(100)는 음파 송수신기(140)를 이용하여 위치 저장 메모리(130)에 저장된 위치 정보를 상기 음파 신호를 송신한 수중 이동체로 송신한다(470단계). 이렇게 자신의 위치 정보를 송신하는 수중 위치 태그(100)는 수중 이동체로부터 음파가 수신되는 일정 영역에 존재하는 수중 위치 태그(100)가 되며, 그 개수는 하나 내지 다수 개일 수 있다.
적어도 하나의 수중 위치 태그(100)로부터 위치 정보를 획득한 수중 이동체의 위치 파악 장치(200)의 위치 계산부(210)는 그 위치 정보를 바탕으로 수중 이동체의 위치를 계산한다(480단계).
하나의 수중 위치 태그(100)로부터 위치 정보를 획득한 경우 음파 송수신기(220)로부터 획득한 TOA(Time of arrival)와 AOA(Angle of arrival)를 이용하여 수중 이동체의 위치를 계산할 수 있다.
수중 이동체와 수중 위치 태그(100)의 거리 I 는 음파 전달 속도 va, 수중 위치 태그(100)로의 음파 송신 시간 t0, 수중 이동체(100)로부터의 음파 수신 시간 t1을 이용하여 다음 수학식에 따라 계산될 수 있다.
Figure 112010032191810-pat00001
또한, 음향 센서 배열로 음파 신호를 수신하고, 수신된 신호를 잘 알려진 음향 신호 처리 방식을 이용하여 처리하여 수중 위치 태그(100)로부터 수신된 음파의 AOA(Angle of arrival)를 계산할 수 있다.
수중 위치 태그(100)의 위치 정보를 알고 있고, 수중 위치 태그(100)와의 거리 및 수중 위치 태그(100)의 방위를 알게 되었으므로, 수중 이동체의 위치 정보를 계산할 수 있다. 물론, 여기서 수중 위치 태그(100)의 방위는 정확한 값이 아닌 대략적인 값이어서 하나의 수중 위치 태그(100)로부터 위치 정보가 수신된 경우 수중 이동체의 대략적인 위치를 파악할 수 있다. 그러나, 둘 이상의 수중 위치 태그(100)로부터 위치 정보를 수신한 경우 각 수중 위치 태그(100)마다 거리와 방위를 계산할 수 있으므로 보다 정확하게 수중 이동체의 위치 정보를 계산할 수 있다.
특히, 넷 이상의 수중 위치 태그(100)로부터 위치 정보를 획득하는 경우 삼각 측량법을 이용하여 수중 이동체의 매우 정확한 위치를 계산할 수 있다. 도 5는 네 개의 수중 위치 태그(100)가 위치 정보를 송신한 경우에 삼각측량법을 이용하여 수중 이동체의 위치를 정하는 방법의 개념도를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 네 개의 수중 위치 태그(100)의 위치를 알고(점들로 표시), 각 수중 위치 태그(100)와의 거리(L1, L2, L3, L4)를 알게 되면, 수중 이동체가 위치하는 구역을 매우 정확하게 계산할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 수중에서 낙하하도록 제작되며, GPS 안테나, GPS 수신기, 메모리를 구비하고, GPS 신호를 수신하여 위치 정보를 상기 메모리에 저장하며, 상기 저장된 위치 정보를 송신하기 위한 음파 송수신기, 그리고 수중에서 자유 낙하할 수 있도록 무게를 제공하는 무게추를 구비하며, 공중에서 일정 간격으로 지속적으로 GPS 신호를 수신하여 상기 메모리에 저장함으로써 수중에 입수한 경우 수중에 입수하기 직전의 위치 정보가 저장되는 수중 위치 태그; 및
    수중 이동체에 구비되며, 상기 수중 위치 태그가 수신 가능한 음파 신호를 송신하고 상기 위치 정보를 수신하기 위한 음파 송수신기와 상기 수중 위치 태그로부터 수신한 위치 정보를 이용하여 상기 수중 이동체의 위치를 계산하는 위치 계산부를 구비하는 위치 파악 장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 위치 파악 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수중 위치 태그는 상기 위치 파악 장치로부터 상기 음파 신호가 수신되는 경우 상기 저장된 위치 정보를 송신하는 것을 특징으로 하는 수중 위치 파악 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수중 위치 태그는 상기 GPS 수신기와 상기 음파 송수신기에 전원을 공급하기 위한 배터리를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수중 위치 파악 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수중 이동체의 상기 위치 계산부는 적어도 하나의 상기 수중 위치 태그로부터 위치 정보가 수신되는 경우 상기 위치 정보와 TOA 및 AOA를 이용하여 상기 수중 이동체의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 수중 위치 파악 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수중 이동체의 상기 위치 계산부는 적어도 네 개의 상기 수중 위치 태그로부터 위치 정보가 수신되는 경우 삼각측량법을 이용하여 상기 수중 이동체의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 수중 위치 파악 시스템.
  8. 수중 이동체의 수중 위치 파악 방법에 있어서,
    (a) GPS 안테나, GPS 수신기, 메모리를 구비하는 수중 위치 태그가 공중에서 일정 간격으로 지속적으로 GPS 신호를 수신하여 획득된 위치 정보를 상기 메모리에 저장함으로써 수중에 입수하기 직전의 위치 정보를 상기 메모리에 저장하는 단계;
    (b) 수중에서 자유 낙하할 수 있도록 무게를 제공하는 무게추를 구비한 상기 수중 위치 태그가 입수하여 수중에서 자유 낙하하는 단계;
    (c) 수중 이동체가 상기 수중 위치 태그가 수신 가능한 음파 신호를 송신하는 단계;
    (d) 상기 수중 위치 태그는 상기 음파 신호가 수신되면 상기 메모리에 저장된 위치 정보를 송신하는 단계; 및
    (e) 상기 수중 이동체는 상기 수중 위치 태그로부터 상기 위치 정보가 수신되면 상기 위치 정보를 이용하여 상기 수중 이동체의 위치를 계산하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 이동체의 위치 파악 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (e) 단계는 적어도 하나의 상기 수중 위치 태그로부터 상기 위치 정보가 수신되는 경우 상기 위치 정보와 TOA 및 AOA를 이용하여 상기 수중 이동체의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 수중 위치 파악 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 (e) 단계는 적어도 네 개의 상기 수중 위치 태그로부터 상기 위치 정보가 수신되는 경우 삼각측량법을 이용하여 상기 수중 이동체의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 수중 위치 파악 방법.
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