KR101815120B1 - 정밀도를 높인 gnss 측위 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고가의 GNSS 수신기를 최소한의 수량만 사용하여도 다측점에 대한 지속적인 변위계측이 가능함으로써 설치 및 운용비용을 절감시킬 수 있으며, 3km 이상의 장거리측량에서 가장 높은 정확도를 나타내는 GNSS 수신기와 가속도계를 통합하여 저가로 고정확도 변위계측시스템을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 장기간에 걸친 실시간 광역 변위계측을 수행함과 동시에 모니터링을 통해 재해를 사전에 예방할 수 있고, 고주파 진동을 하면서 시간에 따라 조금씩 변위되는 경향을 가진 구조물에 대한 단기 고주파 진동 계측 및 장기적인 변위량에 대한 계측 모두를 수행할 수 있으며, 측정대상이 진동을 발생시키는 구조물인 경우, 가속도계를 GNSS 안테나와 인접한 위치에 설치하고, 고주파 진동 및 위성데이터를 통합하여 계측하도록 구성됨으로써 계측의 신뢰도 및 정밀성을 높일 수 있는 GNSS 측위 시스템에 관한 것이다.

Description

정밀도를 높인 GNSS 측위 시스템{GNSS positioning system for enhancing accuracy}
본 발명은 정밀도를 높인 GNSS 측위 시스템에 관한 것으로서, 상세하게로는 계측대상인 구조물의 변형을 정밀하게 검출함과 동시에 비상상황 예측 및 경보를 신속하게 수행할 수 있는 GNSS 측위 시스템에 관한 것이다.
위성항법시스템(Global Navigation Satellite System, 이하 GNSS라고 함)은 복수개의 인공위성과 지상 수신기들을 이용하여 목표물이 위치를 파악하고 시각정보를 제공하기 위한 일련의 시스템이다. 예를 들어 미국의 GPS(Global Positioning System), 러시아의 GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System), 유럽의 Galileo, 중국의 북두(Beidou) 위성, 및 일본의 준천정위성(Quasi-Zenith Satellite System; QZSS) 등이 GNSS에 속한다.
최근 들어 무인자율주행차량시스템, 항법 시스템 등과 같이 실시간 고정밀 위치측정을 요구하는 미래 산업기술이 다양해짐에 따라 GNSS 측위 시스템에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.
그러나 종래의 GNSS 장비는 무게 및 부피가 크고, 가격이 고가여서 양산성이 부족한 문제점이 발생한다.
국내공개특허 제10-2010-0041082호(발명의 명칭 : 차량 위치인식용 GNSS의 고감도와 고정밀을 고려한 수신기 및 그 제어 방법)에는 GNSS 수신기가 기재되어 있으나, 상기 GNSS 수신기는 무게 및 부피 소모가 클 뿐만 아니라 비용이 고가이기 때문에 실용성이 떨어지는 구조적 한계를 갖는다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 단일 GNSS 안테나 스위치가 복수개의 GNSS 안테나를 포함하도록 구성됨으로써 다측점 측정이 간단하고 신속하게 이루어질 수 있으며, 설치 및 운용비용을 절감시킬 수 있는 GNSS 측위 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 다른 해결과제는 계측대상이 진동을 발생시키는 구조물인 경우, 가속도계를 GNSS 안테나와 인접한 위치에 설치하고, 고주파 진동 및 위성데이터를 통합하여 계측하도록 구성됨으로써 계측의 신뢰도 및 정밀성을 높일 수 있는 GNSS 측위 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 측정대상인 구조물에 설치되는 복수개의 이동국 GNSS(Global Navigation Satellite System) 안테나들 및 가속도계들을 포함하며, 상기 이동국 GNSS 안테나들로부터 위성데이터를 입력받으며, 상기 가속도계들로부터 가속도데이터를 입력받는 GNSS 안테나/가속도계 스위치; 복수개의 기준국 GNSS 안테나들을 포함하며, 상기 기준국 GNSS 안테나들로부터 위성데이터를 전송 받는 기준국 GNSS 수신기; 상기 GNSS 안테나/가속도계 스위치 및 상기 기준국 GNSS 수신기로부터 데이터를 전송받는 데이터처리용 PC; 상기 데이터처리용 PC에 연결되어 연산처리결과가 전시되는 디스플레이 장치를 포함하고, 상기 GNSS 안테나/가속도계 스위치는 상기 이동국 GNSS 안테나들 및 상기 가속도계들 각각의 케이블이 접속되는 복수개의 접속단자들을 더 포함하고, 상기 GNSS 안테나/가속도계 스위치는 상기 접속단자들을 통해 상기 이동국 GNSS 안테나들 및 상기 가속도계들로부터 데이터를 수신 받을 때, 측점까지의 거리에 비례하는 설정시간 동안 특정 이동국 GNSS 안테나 및 특정 가속도계로부터 데이터를 수신 받은 후 데이터 수신 경로를 변경함으로써 임의의 시간 간격으로 순차적으로 위성데이터 및 가속도데이터를 수신 받고, 상기 데이터처리용 PC에는 응용 프로그램인 모니터링 소프트웨어가 설치되고, 상기 모니터링 소프트웨어는 상기 GNSS 안테나/가속도계 스위치 및 상기 기준국 GNSS 수신기로부터 전송받은 위성데이터 및 가속도데이터를 분석 및 처리하여 상기 기준국 GNSS 안테나의 3차원 절대좌표와, 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 절대좌표, 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 검출하는 GNSS 데이터 처리부; 상기 GNSS 데이터 처리부에 의해 검출된 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 절대좌표 및 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 분석하여 변동량 및 변동경향을 분석하는 처리결과 분석부; 상기 처리결과 분석부에 의해 검출된 연산처리 데이터를 상기 디스플레이 장치에 디스플레이 하는 디스플레이부를 더 포함하고, 상기 GNSS 데이터 처리부는 상기 기준국 GNSS 안테나의 3차원 절대좌표와, 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 3차원 절대좌표, 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 검출할 때, 남북방향, 동서방향 및 표고방향의 단위별로 3차원 절대좌표 및 상대거리를 검출한 후 상기 가속도데이터를 매칭 시키는 것이다.
삭제
또한 본 발명에서 상기 GNSS 데이터 처리부는 상기 기준국 GNSS 수신기 및 상기 GNSS 안테나/가속도계 스위치로부터 전송받은 위성데이터를 국가 GNSS 상시관측소에서 수신한 위성데이터와 연계 처리하여 상기 기준국 GNSS 안테나의 3차원 절대좌표와, 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 3차원 절대좌표, 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 차후 변위계측의 초기값으로 설정하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 GNSS 데이터 처리부는 초기값 설정이 완료되면, 상기 기준국 GNSS 수신기 및 상기 GNSS 안테나/가속도계 스위치로부터 데이터를 전송받을 때, 기 설정된 초기값을 기준으로 하여 상기 기준국 GNSS 안테나의 3차원 절대좌표와, 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 3차원 절대좌표, 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 검출하며, 상기 기준국 GNSS 안테나의 3차원 절대좌표와, 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 3차원 절대좌표, 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 검출하는 연산과정을 하나의 세션이라고 할 때, 세션을 순차적으로 반복하여 상대변위를 계측하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 GNSS 데이터 처리부는 정적측위 방식 또는 실시간 측위방식으로 상기 기준국 GNSS 안테나의 3차원 절대좌표와, 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 3차원 절대좌표, 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 검출하는 것이 바람직하다.
삭제
또한 본 발명에서 상기 GNSS 안테나/가속도 스위치, 상기 기준국 GNSS 수신기 및 상기 데이터처리용 PC는 RS232C 방식의 케이블, 무선모델 및 LAN 케이블로 구성된 군에서 선택되는 수단으로 연결되는 것이 바람직하다.
상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면 고가의 GNSS 수신기를 최소한의 수량만 사용하여도 다측점에 대한 지속적인 변위계측이 가능함으로써 설치 및 운용비용을 절감시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 3km 이상의 장거리측량에서 가장 높은 정확도를 나타내는 GNSS 수신기와 가속도계를 통합하여 저가로 고정확도 변위계측시스템을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 장기간에 걸친 실시간 광역 변위계측을 수행함과 동시에 모니터링을 통해 재해를 사전에 예방할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 고주파 진동을 하면서 시간에 따라 조금씩 변위되는 경향을 가진 구조물에 대한 단기 고주파 진동 계측 및 장기적인 변위량에 대한 계측 모두를 수행할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 단일 GNSS 안테나 스위치가 복수개의 GNSS 안테나를 포함하도록 구성됨으로써 다측점 측정이 간단하고 신속하게 이루어질 수 있으며, 설치 및 운용비용을 절감시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 계측대상이 진동을 발생시키는 구조물인 경우, 가속도계를 GNSS 안테나와 인접한 위치에 설치하고, 고주파 진동 및 위성데이터를 통합하여 계측하도록 구성됨으로써 계측의 신뢰도 및 정밀성을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 자동화된 자료처리 및 표시기능을 이용하여 장기간에 걸친 관측점의 변위 모니터링 및 분석이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 GNSS 측위 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1의 GNSS 측위 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3의 (a)는 도 2의 GNSS 안테나/가속도계 스위치를 나타내는 구성도이고, (b)는 (a)의 하드웨어 제어보드를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 도 1의 데이터처리용 PC에 설치되는 모니터링 소프트웨어를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 도 4의 GNSS 데이터 처리부에 의한 초기화단계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 도 4의 GNSS 데이터 처리부의 변위계측 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 도 4의 변위계측 과정을 설명하기 위한 다른 예시도이다.
도 8은 도 4의 GNSS 데이터 처리부에 의한 실시간 이동측위 결과 및 가속도데이터를 통합 처리하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 9는 도 8의 분해된 위성데이터 및 가속도계데이터의 연계과정을 설명하기 위한 블록도이다.
도 10의 (a)는 도 4의 디스플레이부에 의해 전시되는 변위량을 남북방향을 기준으로 표시한 그래프이고, (b)는 변위량을 동서방향을 기준으로 표시한 그래프이고, (c)는 표고방향을 기준으로 표시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 GNSS 측위 시스템을 나타내는 구성도이고, 도 2는 도 1의 GNSS 측위 시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명의 일실시예인 GNSS 측위 시스템(1)은 도 1과 2에 도시된 바와 같이, GNSS 위성(10)들과, GNSS 안테나/가속도계 스위치(3), 기준국 GNSS 수신기(5), 데이터처리용 PC(Personal Computer)(7), 디스플레이 장치(9)로 이루어진다.
GNSS 위성(10)들은 위성데이터를 송신하며, 후술되는 이동국 GNSS 안테나(30)들 및 기준국 GNSS 안테나(40)로 GNSS 위치데이터를 송신한다.
이때 GNSS 위성으로는 미국의 GLONASS(Global Navigation Satellite System) 위성, 유럽의 GALILEO(Europian Satellite Navigation System) 위성 및 중국의 Beidou 위성 등이 포함될 수 있다.
GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)는 계측대상인 구조물에 간격을 두고 설치되는 이동국 GNSS 안테나(30)들과, 각 이동국 GNSS 안테나(30)에 인접하게 설치되어 해당 위치지의 가속도데이터를 측정하는 가속도계(31)들을 포함한다.
또한 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)는 이동국 GNSS 안테나(30)들 및 가속도계(31)들과 케이블로 연결되어, 이동국 GNSS 안테나(30)들로부터 위성데이터를 입력 받으며, 가속도계(31)들로부터 가속도데이터를 입력 받는다.
이때 이동국 GNSS 안테나(30)들은 측정대상인 구조물에 간격을 두고 설치되고, 가속도계(31)들은 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각에 인접하게 설치된다.
또한 이동국 GNSS 안테나(30)들 및 가속도계(31)들은 측정대상의 크기에 따라 적정한 수량으로 설치될 수 있으며, 상세하게로는 각 10개씩 설치되는 것이 바람직하다.
또한 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)는 수집된 위성데이터 및 가속도데이터를 데이터처리용 PC(7)로 전송한다.
기준국 GNSS 수신기(5)는 기준국 GNSS 안테나(40)를 통해 GNSS 위성(10)들로부터 위성데이터를 수신한다.
또한 기준국 GNSS 수신기(5)는 수집된 위성데이터를 데이터처리용 PC(7)로 전송한다.
데이터처리용 PC(7)는 특정 연산 및 동작을 수행하기 위한 소프트웨어 및 하드웨어가 구비되는 단말기이며, GNSS 안테나/가속도계 스위치(3) 및 기준국 GNSS 수신기(5)에 연결된다.
또한 데이터처리용 PC(7)는 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)로부터 위성데이터 및 가속도계데이터를 입력받으며, 기준국 GNSS 수신기(5)로부터 위성데이터를 입력받는다.
또한 데이터처리용 PC(7)는 디스플레이 장치(9)와 연결되어 디스플레이 장치(9)를 통해 기 설정된 연산처리결과들을 전시한다.
도 3의 (a)는 도 2의 GNSS 안테나/가속도계 스위치를 나타내는 구성도이고, (b)는 (a)의 하드웨어 제어보드를 설명하기 위한 블록도이다.
GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 복수개의 이동국 GNSS 안테나(30) 및 복수개의 가속도계(31)와 연결된 케이블이 접속되는 접속단자(303)들과, 이동국 GNSS 안테나(30) 및 가속도계(31)로부터 수신된 위성데이터를 입력받는 RF 스위치(305)와, RF 스위치(305)로부터 전송받은 데이터를 하드웨어 제어보드(Hardware control board)(301)로 전송하는 이동국 GNSS 수신기(307)와, 이들을 관리 및 제어하는 하드웨어 제어보드(301)와, 하드웨어 제어보드(301)와 연결되어 데이터 처리용 PC(5)와의 통신을 위한 통신작업용 포트(309)로 이루어진다.
접속단자(303)는 통상의 케이블 접속단자로 이루어질 수 있으며, 이동국 GNSS 안테나(30) 및 가속도계(31)의 수량에 대응될 수 있도록 복수개로 구비되는 것이 바람직하다.
또한 접속단자(303)를 통해 이동국 GNSS 안테나(30)들 및 가속도계(31)들로부터 출력되는 위성데이터 및 가속도데이터는 RF 스위치(305)로 입력된다.
RF 스위치(305)는 접속단자(303)를 통해 위성데이터 및 가속도데이터를 수신 받는다.
또한 RF 스위치(305)는 임의의 시간 동안 데이터를 수신하면, 데이터 수신경로를 변경한다. 이때 임의의 시간이란 이동식 GNSS 안테나(30)와 측점의 거리에 따라 변화되는 값으로, 임의로 설정 가능한 값이며, 더욱 상세하게로는 임의의 시간은 이동식 GNSS 안테나와 측점의 거리가 100m이면 3분인 것이 바람직하고, 10km이면 1시간 30분인 것이 바람직하며, 나머지 거리에 대해서는 선형적 비례관계를 이용하여 결정하는 것이 바람직하다.
또한 RF 스위치(305)는 입력된 아날로그 신호(Analog signal)의 데이터를 디지털 신호(Digital signal)로 변환시킨다.
또한 RF 스위치(305)는 변환된 데이터를 이동국 GNSS 수신기(307) 및 하드웨어 제어보드(301)로 입력한다.
하드웨어 제어보드(301)는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, RF 스위치(305), 통신포트(309), 이동국 GNSS 수신기(307), 기타 구성부(전원, LED 등) LCD를 제어 및 관리한다.
이때 LCD는 위성데이터 수신시간과 같은 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)의 작동현황을 표시하는 역할을 하는 장치이고, LED는 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)에서 이동국 GNSS 안테나(30)들 및 가속도계(31)들로부터 순차적으로 데이터를 전송받을 때 현재 입력되는 데이터에 대응되는 이동국 GNSS 안테나 및 가속도계를 점등을 이용하여 표시해주는 장치이다.
이와 같이 구성되는 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)의 데이터 처리과정을 살펴보면, GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)는 연결단자(303)를 통하여 복수개의 이동국 GNSS 안테나(30) 및 가속도계(31)들과 케이블로 연결됨으로써 이들(30), (31)로부터 수신된 위성데이터 및 가속도계데이터는 연결단자(303)를 통해 RF 스위치(305)로 입력된다.
또한 RF 스위치(305)는 한 개의 포트에서 사용자가 지정한 시간만큼 이동식 GNSS 안테나(30) 및 가속도계(31)로부터 데이터를 수신 받다가 임의의 시간이 경과한 이후에는 데이터 수신경로를 다른 포트로 전환하여 다른 이동식 GNSS 안테나 및 가속도계로부터 데이터를 입력 받는 방식으로 데이터를 입력받는다.
다시 말하면 RF 스위치(305)는 복수개의 이동국 GNSS 안테나(30)들 및 가속도계(31)들로부터 순차적으로 위성데이터 및 가속도데이터를 입력받게 된다.
또한 RF 스위치(305)는 이러한 방식으로 입력받은 데이터를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환한 후 하드웨어 제어보드(301) 및 이동국 GNSS 수신기(307)로 입력한다.
또한 하드웨어 제어보드(301)는 입력된 데이터들을 가공하여 통신포트(309)를 통해 데이터처리용 PC(7)로 전송한다.
이때 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3) 및 데이터처리용 PC(7)는 RS232C 방식의 케이블, 무선모뎀 및 LAN 케이블로 구성된 군에서 선택되는 수단으로 연결되는 것이 바람직하다.
또한 기준국 GNSS 수신기(5) 및 데이터 처리용 PC(7)는 RS232C 방식의 케이블, 무선모뎀 및 LAN 케이블로 구성된 군에서 선택되는 수단으로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명에서 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3) 및 기준국 GNSS 수신기(5)는 데이터처리용 PC(7)와 유선 또는 무선으로 연결되어야하기 때문에 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3), 기준국 GNSS 수신기(5) 및 데이터처리용 PC(7)는 서로 30km 이내에 배치되는 것이 바람직하고, 더욱 상세하게로는 5km 이내에 배치되는 것이 바람직하다.
도 4는 도 1의 데이터처리용 PC에 설치되는 모니터링 소프트웨어를 설명하기 위한 블록도이다.
데이터처리용 PC(7)는 공지된 PC로 이루어지되, GNSS 안테나/가속도계 스위치(3) 및 기준국 GNSS 수신기(5)와의 통신을 위한 통신포트(70)를 포함한다. 이때 통신포트는 RS232C 통신포트 및 Ethernet 포트로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 데이터 처리용 PC(7)는 도 4에 도시된 바와 같이, 모니터링 소프트웨어(71)가 설치되고, 모니터링 소프트웨어(71)는 후술되는 제어대상(713), (715), (717), (719)들을 제어하는 제어부(711)와, GNSS 안테나/가속도계 스위치(3) 및 기준국 GNSS 수신기(5)로부터 송신된 데이터들을 입력받는 데이터 입력부(713)와, 데이터 입력부(713)를 통해 입력된 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3) 및 기준국 GNSS 수신기(5)로부터 전송받은 데이터들을 통합 처리하여 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)의 복수개의 이동국 GNSS 안테나(30)들 및 기준국 GNSS 수신기(5)의 기준국 GNSS 안테나(40)들 각각의 3차원 절대좌표와 기준국 GNSS 안테나(40)에 대한 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 상대거리를 계산하는 GNSS 데이터 처리부(715)와, GNSS 데이터 처리부(715)에 의해 검출된 3차원 절대좌표 및 상대거리의 변동량 및 변동경향을 분석하는 처리결과 분석부(717)와, 처리결과 분석부(717)에 의해 분석된 결과 데이터가 디스플레이 장치(9)에 전시되도록 하는 디스플레이부(719)로 이루어진다.
GNSS 데이터 처리부(715)는 이동국 GNSS 안테나(30)들 및 가속도계(31)들을 포함하는 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)로부터 전송받은 데이터와, 기준국 GNSS 수신기(5)로부터 전송받은 데이터를 통합 처리하여 1)기준국 GNSS 수신기(5)의 기준국 GNSS 안테나(40) 및 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)의 이동국 GNSS 안테나(30)의 3차원 절대좌표를 검출하며, 2)기준국 GNSS 안테나(40)에 대한 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 상대거리를 산출한다.
이때 GNSS 데이터 처리부(715)는 상대거리 산출 시 최소 3분 이상 수신된 데이터를 처리하는 정적측위 방식 및 수신된 데이터를 GNSS 데이터의 수신된 데이터를 GNSS 데이터의 수신 간격별로 처리하고 가속도계 데이터와 통합 처리하여 1초당 100회 이상의 빈도로 값을 구하는 방식을 이용하여 산출하며, 상기 두 방식 중 하나를 선택하는 것은 사용 환경 측위 목적에 적합하게 설정하도록 한다.
처리결과 분석부(717)는 GNSS 데이터 처리부(715)에서 연산 처리된 결과를 남북방향, 동서방향, 표고방향으로의 상대거리로 가공한다.
또한 처리결과 분석부(717)는 가공된 남북, 동서, 표고 방향의 상대거들을 시계열로 변환하며, 각종 통계값, 필터링, 경향분석 등을 검출한다.
디스플레이부(719)는 처리결과 분석부(717)에 의해 검출된 연산처리 결과데이터가 디스플레이 장치(9)에 디스플레이 되도록 한다.
이와 같이 구성되는 모니터링 소프트웨어(71)의 GNSS 데이터 처리부(715)의 동작 과정에 대해 상세하게 살펴보면, GNSS 데이터 처리부(715)는 기준국 GNSS 수신기(5)로부터 전송 받은 위성데이터를 분석하여 기준국 GNSS 안테나(40)의 3차원 절대좌표를 검출한다.
또한 GNSS 데이터 처리부(715)는 복수개의 이동국 GNSS 안테나(30)들에 의한 위성데이터를 전송받으면, 전송받은 위성데이터를 분석하여 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 3차원 절대좌표를 검출한다.
또한 GNSS 데이터 처리부(715)는 기준국 GNSS 안테나(40)의 3차원 절대좌표 및 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 3차원 절대좌표를 분석 및 활용하여 기준국 GNSS 안테나(40)에 대한 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 상대거리를 계산한다. 이때 상대거리는 동서방향, 남북방향, 표고방향 등으로 이루어진다.
또한 GNSS 데이터 처리부(715)는 기준국 GNSS 안테나(40)의 3차원 절대좌표와, 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 3차원 절대좌표 및 상대거리를 기준값으로 설정하는 초기화단계를 수행한다.
또한 GNSS 데이터 처리부(715)는 초기화단계 이후 기준국 GNSS 수신기(5) 및 GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)로부터 데이터를 전송받으면, 초기화단계에서 설정된 기준국 GNSS 안테나의 3차원 절대좌표를 기준으로 하여 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 3차원 절대좌표 및 기준국 GNSS 안테나(40)에 대한 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 상대거리를 검출하며, 초기화단계에서 설정된 설정값(3차원 절대좌표 및 상대거리)을 기준으로 변동량 및 변동경향을 검출하고, 이러한 과정을 하나의 세션으로 할 때, 세션을 순차적으로 반복하여 상대변위를 계측한다.
이때 GNSS 데이터 처리부(715)에서 3차원 절대좌표 및 상대거리를 검출하는 방식은 공지된 정적측위 방식 또는 실시간 이동측위 방식이 적용될 수 있고, 이러한 정적측위 방식 및 실시간 이동측위 방식은 계측시스템에서 통상적으로 사용되는 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한 GNSS 데이터 처리부(715)는 검출된 상대변위(3차원 절대좌표, 상대거리, 변동량, 변동경향 등)와 가속도계(31)들로부터 전송받은 가속도데이터를 통합 처리한다.
또한 GNSS 데이터 처리부(715)는 초당 100회 이상의 세션을 수행하는 것이 발마직하다.
도 5는 도 4의 GNSS 데이터 처리부에 의한 초기화단계를 설명하기 위한 예시도이다.
GNSS 데이터 처리부(715)의 초기화방법(S100)은 도 5에 도시된 바와 같이, 기준국 GNSS 수신기(5)로부터 장시간(2시간 이상) 위성데이터를 수신 받는 단계110(S110)과, 단계110(S110)에서 수신 받은 위성데이터를 국가 GNSS 상시관측소에서 수신한 위성데이터와 연계 처리하는 단계120(S120)과, 단계120(S120)을 통해 기준국 GNSS 안테나(40)의 3차원 절대좌표를 검출하는 단계130(S130)으로 이루어진다.
단계130(S130)은 기준국 GNSS 수신기(5)로부터 2시간 이상 수신한 위성데이터를 동일 시간대에 국가 GNSS 상시관측소에서 수신한 위성데이터와 비교 및 분석하여, 국가 GNSS 상시관측소의 위치를 기준으로 하여 기준국 GNSS 안테나(40)의 3차원 절대좌표를 검출한다. 이때 위성데이터의 처리 정밀도는 5mm + 0.5ppm인 것이 바람직하다.
또한 단계130(S130)은 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 정밀 3차원 절대좌표를 검출하며, 기준국 GNSS 안테나(40)에 대한 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 상대거리를 산출한다. 이때 상대거리는 동서방향, 남북방향 및 표고방향을 포함하며, 상세하게로는 기준국 GNSS 안테나(40)에서 연속적으로 수신한 위성데이터와 이동국 GNSS 안테나(10)들 각각에서 순차적으로 수신한 위성데이터를 정적측위 방식으로 통합 처리하여 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 3차원 절대좌표 및 기준국 GNSS 안테나(40)에 대한 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 상대거리를 산출한다.
또한 단계130(S130)은 검출된 기준국 GNSS 안테나(40)의 3차원 절대좌표와, 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 3차원 절대좌표, 기준국 GNSS 안테나(40)에 대한 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 상대거리를 변위계측의 초기값으로 설정하는 초기화단계를 수행한다.
도 6은 도 4의 GNSS 데이터 처리부의 변위계측 과정을 설명하기 위한 예시도이고, 도 7은 도 4의 변위계측 과정을 설명하기 위한 다른 예시도이다.
도 6과 7의 GNSS 데이터 처리부(715)의 변위계측 방법(S200)은 기준국 GNSS 안테나(40)의 3차원 절대좌표, 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 3차원 절대좌표 및 기준국 GNSS 안테나(40)에 대한 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각의 상대거리의 계산이 전술하였던 도 5의 초기화방법(S100) 보다 빠른 속도로 이루어진다.
또한 변위계측 방법(S200)에서 위성데이터를 수신한 후 3차원 절대좌표 및 상대거리를 구하는 과정에는 정적측위 방식 또는 실시간 측위방식이 적용된다.
이때 정적측위 방식은 이동국 GNSS 안테나(30) 별로 위성데이터를 최초 1초 단위로 3분간 수신하여 3차원 절대좌표를 산출하되, 기선길이가 길면 수신시간을 증가시켜 적합한 정확도를 확보하는 것이 바람직하다.
또한 실시간 이동측위 방식은 이동국 GNSS 안테나(30) 별로 위성데이터를 1초당 20회 빈도로 수신하고 이를 실시간 이동측위기법으로 처리한 후 가속도계 데이터와 연계하여 다수의 3차원 절대좌표 및 상대 거리를 산출하되, 위성데이터 처리 정밀도가 1cm + 1ppm 이내가 될 때까지 연산처리를 수행하며, 안정적인 측위가 완료된 후에는 다음 안테나로 스위칭(Switching) 한다.
도 8은 도 4의 GNSS 데이터 처리부에 의한 실시간 이동측위 결과 및 가속도데이터를 통합 처리하는 과정을 설명하기 위한 예시도이고, 도 9는 도 8의 분해된 위성데이터 및 가속도계데이터의 연계과정을 설명하기 위한 블록도이다.
GNSS 데이터 처리부(715)는 도 8에 도시된 바와 같이, 공지된 EMD(Empirical Mode Decomposition, 경험적 모드분해) 방법을 이용하여 복수개의 고유요소함수들과 최종잔차함수로 분해한다.
이때 각 고유요소함수는 진동주기별로 구분되고, 분해결과는 고진동주기 요소 및 저진동주기 요소를 포함하는 본래의 실시간 이동측위결과를 각 주기의 데이터로 분해한다.
또한 최종잔차의 경우는 시간에 관계없이 고유한 값으로 관측지점에서의 평균적인 이동량을 나타낸다.
이와 같이 분해된 데이터 및 가속도계를 연계하는 방법은 도 9에 도시된 바와 같이, 우선 실시간 이동측위결과값을 EMD 방법으로 분해하여 평균적인 이동량인 정적변위요소와 동적변위요소를 분리한 후 동적변위요소 및 가속도계 관측값을 통합 처리하는데 관측한 동적변위요소에서 저주파 동적변위요소를 추출한다.
최종적으로 원래의 가속도데이터를 고주파 동적변위요소로 사용한다. 이렇게 각각 계산한 정적변위요소, 저주파 동적변위요소 및 고주파 동적변위요소를 통합하면 결과적으로 최종 변위량이 계산된다.
이때 최종 변위량의 계산에 사용된 세 가지 변위요소들은 측정대상인 구조물의 변동량 해석에 중요한 요인으로 사용된다.
도 10의 (a)는 도 4의 디스플레이부에 의해 전시되는 변위량을 남북방향을 기준으로 표시한 그래프이고, (b)는 변위량을 동서방향을 기준으로 표시한 그래프이고, (c)는 표고방향을 기준으로 표시한 그래프이다.
디스플레이부(719)는 처리결과 분석부(717)에 의해 분석된 처리결과를 디스플레이 장치(9)에 디스플레이 한다.
또한 디스플레이부(719)는 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 기준국 GNSS 안테나(40)에 대한 이동국 GNSS 안테나(30)의 상대거리의 변동량을 남북방향을 기준으로 디스플레이 할 수 있다.
또한 디스플레이부(719)는 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 기준국 GNSS 안테나(40)에 대한 이동국 GNSS 안테나(30)의 상대거리의 변동량을 동서방향을 기준으로 디스플레이 할 수 있다.
또한 디스플레이부(719)는 도 10의 (c)에 도시된 바와 같이, 기준국 GNSS 안테나(40)에 대한 이동국 GNSS 안테나(30)의 상대거리의 변동량을 표고방향을 기준으로 디스플레이 할 수 있다.
이때 디스플레이부(719)는 남북방향, 동서방향 및 표고방향의 처리결과들을 시간에 따라 표시하며, 표시된 결과들의 변동경향을 경향선(90)으로 표시함으로써 정보전달이 효율적으로 이루어지도록 한다.
즉 작업자는 디스플레이 장치(9)를 통해 전시되는 그래프들을 통해 이동국 GNSS 안테나(30)들 각각에 대한 남북, 동서, 표고 방향의 상대거리의 변동량을 간단하게 열람할 수 있게 된다.
다시 말하면, 이러한 표시방법은 측정대상인 구조물 또는 자연지물의 급격한 위치변동을 파악하는데 유용하며, 장기간에 걸친 변동경향도 모니터링 할 수 있는 장점을 제공한다.
이때 디스플레이부(719)는 전체 변위계측 결과를 표시하는 것은 아니고, 일정수준 이내의 정확도를 나타내는 수치만을 표시하는 바, 정확도가 경향선(90)을 기준으로 ±3σ 이내의 변위계측 측정결과만을 선별하여 표시하여, 기준미달의 변위계측 결과는 과대오차를 포함하는 것으로 간주한다.
이와 같이 본 발명의 일실시예인 GNSS 측위 시스템(1)은 3km 이상의 장거리 측량에서 가장 높은 정확도를 나타낼 뿐만 아니라 고가인 GNSS 수신기를 최소한의 수량, 즉, 2대만 사용하여 다수 관측점들에 대한 변위계측을 실시할 수 있기 때문에 비용을 절감시키면서 정확성을 높일 수 있게 된다.
예를 들어, 본 발명의 GNSS 측위 시스템(1)이 댐을 측정하기 위한 목적으로 사용될 때, GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)의 이동국 GNSS 안테나(30)들 및 가속도계(31)들은 댐의 상단에 일정 간격으로 설치되어 댐의 변위를 측정하는데 사용될 수 있다. 즉 댐의 경우 수위가 높아지면 물을 막고 있는 콘크리트 벽체가 수면 반대쪽으로 밀려서 변위가 발생하는데, 이때의 변위를 계측함으로써 향후에 발생할 수 있는 자연재해를 예방하기 위한 자료로서 사용할 수 있다.
다른 예를 들어, 본 발명의 GNSS 측위 시스템(1)이 교량을 측정하기 위한 목적으로 사용될 때, GNSS 안테나/가속도계 스위치(3)의 이동국 GNSS 안테나(30)들 및 가속도계(31)들은 교량의 측면에 일정 간격으로 설치되어 설치위치인 측점에서 교량이 밑으로 처지게 되는 변위를 측정하는데 사용될 수 있다. 즉 교량의 경우, 무거운 하중이 적재된 차량이 통과하면 밑으로 처지게 되어 변위가 발생하는데, 이때의 변위를 계측함으로써 향후에 발생할 수 있는 교량사고를 예방하기 위한 자료로 사용될 수 있다.
또한 본 발명의 GNSS 측위 시스템(1)은 광범위한 지역에 걸쳐 분포한 관측점들의 상황을 기준국이 위치한 사무실에서 원격으로 계측하고 관측점들의 변동추이를 모니터링 할 수 있어, 수 km 떨어진 원격지 구조물 및 자연지물의 변동 상황을 모니터링 하는데 유용하고, 자동화된 자료처리 및 표시기능을 이용하므로 장기간에 걸쳐 관측점의 변위 모니터링 및 분석이 가능한 장점을 갖는다.
1:GNSS 측위 시스템 3:GNSS 안테나/가속도계 스위치
5:기준국 GNSS 수신기 7:데이터처리용 PC
9:디스플레이 장치 30:이동국 GNSS 안테나들
31:가속도계들 40:기준국 GNSS 안테나
301:하드웨어 제어보드 303:접속단자
305:RF 스위치 307:이동국 GNSS 수신기
309:통신포트 711:제어부
713:데이터 입력부 715:GNSS 데이터 처리부
717:처리결과 분석부 719:디스플레이부

Claims (7)

  1. 측정대상인 구조물에 설치되는 복수개의 이동국 GNSS(Global Navigation Satellite System) 안테나들 및 가속도계들을 포함하며, 상기 이동국 GNSS 안테나들로부터 위성데이터를 입력받으며, 상기 가속도계들로부터 가속도데이터를 입력받는 GNSS 안테나/가속도계 스위치;
    복수개의 기준국 GNSS 안테나들을 포함하며, 상기 기준국 GNSS 안테나들로부터 위성데이터를 전송 받는 기준국 GNSS 수신기;
    상기 GNSS 안테나/가속도계 스위치 및 상기 기준국 GNSS 수신기로부터 데이터를 전송받는 데이터처리용 PC;
    상기 데이터처리용 PC에 연결되어 연산처리결과가 전시되는 디스플레이 장치를 포함하고,
    상기 GNSS 안테나/가속도계 스위치는 상기 이동국 GNSS 안테나들 및 상기 가속도계들 각각의 케이블이 접속되는 복수개의 접속단자들을 더 포함하고,
    상기 GNSS 안테나/가속도계 스위치는 상기 접속단자들을 통해 상기 이동국 GNSS 안테나들 및 상기 가속도계들로부터 데이터를 수신 받을 때, 측점까지의 거리에 비례하는 설정시간 동안 특정 이동국 GNSS 안테나 및 특정 가속도계로부터 데이터를 수신 받은 후 데이터 수신 경로를 변경함으로써 임의의 시간 간격으로 순차적으로 위성데이터 및 가속도데이터를 수신 받고,
    상기 데이터처리용 PC에는 응용 프로그램인 모니터링 소프트웨어가 설치되고,
    상기 모니터링 소프트웨어는 상기 GNSS 안테나/가속도계 스위치 및 상기 기준국 GNSS 수신기로부터 전송받은 위성데이터 및 가속도데이터를 분석 및 처리하여 상기 기준국 GNSS 안테나의 3차원 절대좌표와, 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 절대좌표, 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 검출하는 GNSS 데이터 처리부;
    상기 GNSS 데이터 처리부에 의해 검출된 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 절대좌표 및 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 분석하여 변동량 및 변동경향을 분석하는 처리결과 분석부;
    상기 처리결과 분석부에 의해 검출된 연산처리 데이터를 상기 디스플레이 장치에 디스플레이 하는 디스플레이부를 더 포함하고,
    상기 GNSS 데이터 처리부는
    상기 기준국 GNSS 안테나의 3차원 절대좌표와, 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 3차원 절대좌표, 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 검출할 때, 남북방향, 동서방향 및 표고방향의 단위별로 3차원 절대좌표 및 상대거리를 검출한 후 상기 가속도데이터를 매칭 시키는 것을 특징으로 하는 GNSS 측위 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 제1항에 있어서, 상기 GNSS 데이터 처리부는
    상기 기준국 GNSS 수신기 및 상기 GNSS 안테나/가속도계 스위치로부터 전송받은 위성데이터를 국가 GNSS 상시관측소에서 수신한 위성데이터와 연계 처리하여 상기 기준국 GNSS 안테나의 3차원 절대좌표와, 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 3차원 절대좌표, 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 차후 변위계측의 초기값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 GNSS 측위 시스템.
  4. 청구항 제3항에 있어서, 상기 GNSS 데이터 처리부는
    초기값 설정이 완료되면, 상기 기준국 GNSS 수신기 및 상기 GNSS 안테나/가속도계 스위치로부터 데이터를 전송받을 때, 기 설정된 초기값을 기준으로 하여 상기 기준국 GNSS 안테나의 3차원 절대좌표와, 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 3차원 절대좌표, 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 검출하며,
    상기 기준국 GNSS 안테나의 3차원 절대좌표와, 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 3차원 절대좌표, 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 검출하는 연산과정을 하나의 세션이라고 할 때, 세션을 순차적으로 반복하여 상대변위를 계측하는 것을 특징으로 하는 GNSS 측위 시스템.
  5. 청구항 제4항에 있어서, 상기 GNSS 데이터 처리부는
    정적측위 방식 또는 실시간 측위방식으로 상기 기준국 GNSS 안테나의 3차원 절대좌표와, 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 3차원 절대좌표, 상기 기준국 GNSS 안테나에 대한 상기 이동국 GNSS 안테나들 각각의 상대거리를 검출하는 것을 특징으로 하는 GNSS 측위 시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 제5항에 있어서, 상기 GNSS 안테나/가속도계 스위치, 상기 기준국 GNSS 수신기 및 상기 데이터처리용 PC는 RS232C 방식의 케이블, 무선모델 및 LAN 케이블로 구성된 군에서 선택되는 수단으로 연결되는 것을 특징으로 하는 GNSS 측위 시스템.
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